[发明专利]具有高硬度和高抗氧化性能的CrAlN/AlN纳米多层涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高硬度和高抗氧化性能的CrAlN/AlN纳米多层涂层及其制备方法，属于涂层制备技术领域。采用电弧离子镀和磁控溅射复合技术在金属或硬质合金基体上制备CrAlN/AlN纳米多层涂层。选用纯金属CrAl和Al作为靶材，通过控制CrAl靶电流和Al靶功率，调控涂层CrAlN层和AlN层调制周期。本发明制备的CrAlN/AlN纳米多层涂层组织结构致密，具有很高的硬度和抗高温氧化性能及耐蚀性能，并与基体之间结合良好。

技术领域

本发明涉及涂层制备技术领域，具体涉及一种具有高硬度和高抗氧化性能的CrAlN/AlN纳米多层涂层及其制备方法。

背景技术

随着现代制造业的发展，各种难加工材料不断涌现，对加工效率、可靠性、加工精度和环保程度等提出更高的要求。采用涂层技术可使刀具获得优良的综合机械性能，有效提高切削刀具使用寿命、切削效率和加工表面质量，从而大幅度提高机械加工效率。在涂层发展初期，其成分主要为TiN、TiC等二元碳化物或氮化物。这类涂层硬度低，且抗高温氧化性能差，导致其无法满足一些先进加工技术要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高硬度和高抗氧化性能的CrAlN/AlN纳米多层涂层及其制备方法，由于界面间多种交互作用使所得涂层具有超高硬度，同时具有优良的高温热稳定性和抗高温氧化性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有高硬度和高抗氧化性能的CrAlN/AlN纳米多层涂层，是由AlN层与CrAlN层交替复合而成，所述CrAlN层为Al固溶于CrN相中的fcc-(Cr,Al)N结构，AlN层沿CrAlN层外延生长并保持面心立方结构；所述CrAlN层与AlN层均为纳米级尺寸。

该纳米多层涂层中，N含量为40-55at.％，Al含量为25-40at.％，Cr含量为10-25at.％。

该纳米多层涂层的调制周期为5-20nm，调制比为CrAlN：AlN＝0.5-3；该纳米多层涂层总厚度2-10微米。

该纳米多层涂层沉积于金属、硬质合金或陶瓷基体表面，该纳米多层涂层与基体之间还沉积有厚度100～300nm的纯CrAl金属过渡层和厚度10～300nm的CrAlN金属过渡层，其中：纯CrAl金属过渡层沉积在基体表面，CrAlN金属过渡层沉积于纯CrAl金属过渡层表面。

该纳米多层涂层的硬度为25～50GPa，弹性模量为300～500GPa；具有较好的抗高温氧化性能，与基体结合良好。

采用电弧离子镀和磁控溅射复合技术在基体表面沉积所述纳米多层涂层，采用CrAl金属和纯Al金属作为靶材；该方法具体包括如下步骤：

(1)将基体材料在依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗15～30min后，放在镀膜室转架上，转架旋转速度5～40r/min，靶基距约为150mm；

(2)抽真空使真空室气压小于9×10^-3Pa时，对炉腔加热至200～500℃，真空室气压再次小于9×10^-3Pa时通入Ar气，Ar气流量为50～500sccm，调节真空室压强为0.6～3Pa，向基体施加-600～1000V负偏压，对基体辉光清洗10～30min；然后开启CrAl靶，靶材电流为70～200A，将偏压调节至-200～-30V，在基体上沉积纯CrAl金属过渡层，增强涂层与基体之间的结合力；沉积时间5～40min(优选5～30min)；

(3)保持CrAl靶开启，再通入N₂，N₂气流量为100～500sccm，同时调整Ar流量使气体流量比N₂/Ar为3～10；调整真空室压强为0.6～3Pa，沉积CrAlN金属过渡层5～30min；