[发明专利]用钛和/或硅微合金化的钒铝氮化物(VAlN)

说明书

本发明披露了一种高温稳定陶瓷涂层结构，其包含微合金，微合金含有元素Al、V和N并且可通过气相沉积工艺来生产。

技术领域

本发明关于耐磨涂层合金，其至少包含通过PVD和/或相关工艺所涂覆的过渡金属-Al-N，旨在针对高于800℃的高温应用。

背景技术

由亚稳c-TM-Al-N构成的PVD涂层因其耐磨应用而众所周知(注意：“c-”是指立方，“TM”是指过渡金属，“Al”是指铝，“N”是指氮)。

这些涂层显示出硬度、抗断裂性和抗氧化性的最佳组合。因此，即使仅施加几微米的薄涂层都带来在切削、成形和汽车和航空其它相关应用中的工具和部件的使用寿命的显著延长。

但是，这些已知的由亚稳相构成的涂层显示出有限的热稳定性，这是通过与退火温度相关的硬度(如随后在图1中示出的那样)所测量的，其表明这些涂层的可能的最高应用温度。

就此主题的一些调查研究揭示出亚稳合金c-TM-Al-N在800℃至900℃之间的中间退火温度可能显示出硬度提高。

关键挑战是在高于900℃的退火温度，在这里，亚稳合金通过以下反应分解成其各自基态，导致如也在图1中示出的硬度损失。

这种分解可如下说明：

亚稳c-TM-Al-N-----c-TMN+w-AlN (1)

其中，TM例如可以是Ti、Cr、Nb、V。

所生成的w-AlN具有较低的300GPa的弹性模量和25GPa的较低硬度。

由相变造成的上述较低硬度将这些涂层的应用温度限制到对于长达100小时的较长暴露时间下的800℃最高温度和对于长达1小时的短暂暴露时间下的900℃。

对于牵涉到更高退火温度和高于900℃且超过100小时长时间暴露的应用，这种应用例如可以是热金属加工或涡轮机覆尖密封剂施加，需要优质合金，在这里，在高于900℃的退火温度能够维持稳定的硬度。

发明内容

本发明的目的是缓解或克服一个或多个与现有技术相关的难题。特别是，本发明的目的是提供一种坚硬的、抗断裂的且抗氧化的涂层结构，其在高温是稳定的且可以通过简单且划算的方式制造。

本发明的说明

我们已在探索不同的合金组合并且惊奇地发现了用Ti和Si微合金化的AlVN合金所显示出的异常硬度使其对于高温应用更具吸引力：

因此，在本发明的第一方面，披露一种高温稳定陶瓷涂层结构，其包含含有元素Al、V和N的微合金，其可通过气相沉积工艺来生产。

本发明语境中的术语“高温稳定涂层结构”特别是指如下结构，其在至少高达800℃的温度下长时间稳定，即它可以在超过800℃的温度被使用长达100小时，而没有显示出任何显著的硬度损失。

在第一方面的另一例子中，涂层结构以亚稳涂层结构形式形成，其在至少高于900℃的温度呈多相形式，尤其是呈立方相和纤锌矿相形式。

在第一方面的另一例子中，涂层结构在900℃以上具有硬度提高和/或增强的断裂韧性，硬度提高和/或断裂韧性优选与涂层结构的相变相关，尤其是基于涂层结构的相变。

在第一方面的另一例子中，涂层结构在高于900℃的温度超过50小时，优选超过75小时，尤其超过100小时的较长暴露时间内都是稳定的。在此上下文中，“稳定”尤其并非意味着相稳定，而是材料稳定。

在第一方面的另一例子中，该涂层结构具有小于10μm，优选小于1μm，尤其小于500nm的层厚度。