[发明专利]一种在合金刀具上制作超硬高熵合金氮化物涂层的方法

说明书

本发明提供一种在合金刀具上制作超硬高熵合金氮化物涂层的方法，包括如下步骤：对待涂层的合金刀具分别进行除油、除锈以及清洗处理，随后烘干；将清洗后的合金刀具放置于真空室内，对真空室进行抽真空操作，然后对合金刀具进行辉光清洗；辉光清洗结束后，调整氩气流量，开启HiPIMS电源并调整预定参数；通过外加电源给合金刀具提供预定参数；然后溅射AlCrTiVZr靶材，沉积时间1min‑10min后，在合金刀具表面形成AlCrTiVZr过镀层；保持既有的溅射条件不变，逐渐通入反应气体氮气，沉积后在合金刀具的表面形成高熵合金氮化物涂层。本发明所制备的(AlCrTiVZr)N涂层为单一的FCC晶体结构且趋向于纳米化，其硬度可达超硬水平41.8GPa，表面粗糙度降低至2nm以下，远超出本领域技术人员的预想范围。

技术领域

本发明涉及金属涂层领域，特别是涉及一种超硬(AlCrTiVZr)N高熵合金氮化物涂层的制备方法。

背景技术

随着切削加工技术的快速发展，高速、大功率机床以及难加工材料的使用越来越广泛。同时，国民环保意识的加强则进一步提高了切削冷却润滑液的使用成本。因此，切削加工技术对切削刀具材料性能提出了更高的要求。而刀具涂层的出现则缓解了切削加工技术快速发展与切削刀具材料性能落后的矛盾。选择合适的刀具涂层一方面可实现对难加工材料的切削，如高温合金、钛合金及颗粒增强复合材料等，另外一方面还可降低对刀具材料的消耗，提高被加工材料的尺寸精度和表面质量。

突破传统涂层的材料选择思路，采用多主元高熵合金氮化物作为涂层材料可使得刀具的综合性能得到更大的提高。高熵合金氮化物(AlCrTiVZr)N涂层具有与高熵合金相同的科学概念。与传统氮化物相比，(AlCrTiVZr)N涂层在热力学上有高熵效应，在动力学上有缓慢扩散效应，在结构上具有晶格畸变效应，在性能上具有鸡尾酒效应。以上“四大效应”有效降低了(AlCrTiVZr)N涂层中金属间脆性化合物的形成，有利于形成简单固溶体，且使得结构倾向于纳米化甚至非晶化，从而具有高硬度、高加工硬化、高耐磨性、高热稳定性以及高耐蚀性等优异性能。

目前高熵合金氮化物(AlCrTiVZr)N涂层常用的制备技术为磁控溅射(HiPIMS)。磁控溅射具有低温沉积、表面光滑、镀膜面积大、无宏观颗粒等诸多优点，然而由于常规磁控溅射较低的金属离化率(5％)，溅射金属绝大多数以原子的形态存在，所制备的(AlCrTiVZr)N涂层往往具有疏松的柱状晶微观结构以及存在着大量的微孔，从而导致薄膜硬度降低(小于15GPa)。由此可见，磁控溅射制备(AlCrTiVZr)N涂层不可避免地存在一些缺陷，并成为其进一步产业化应用中的关键技术瓶颈。

发明内容

本文发明的目的是提供一种超硬(AlCrTiVZr)N涂层的制备的新方法，利用该方法能够制备兼具超高硬度、低表面粗糙度以及致密微观结构的超硬涂层。

具体地，本发明提供一种在合金刀具上制作超硬高熵合金氮化物涂层的方法，包括如下步骤：

步骤100，对待涂层的合金刀具分别进行除油、除锈以及清洗处理，随后烘干；

步骤200，将清洗后的合金刀具放置于真空室内，对真空室进行抽真空操作，然后对合金刀具进行辉光清洗；

步骤300，辉光清洗结束后，调整氩气流量，使得真空室气压为0.3Pa～1Pa，开启HiPIMS电源并调整参数为：电压值-450V～-1000V，脉冲频率为50hz～500hz，脉冲宽度为50～500μs；通过外加电源给合金刀具提供的参数为：电压值-50V～-300V，频率20Khz～100Khz，占空比50％～90％；然后溅射AlCrTiVZr靶材，沉积时间1min-10min后，在合金刀具表面形成AlCrTiVZr过镀层；

步骤400，保持既有的溅射条件不变，逐渐通入反应气体氮气，流量值为4sccm-40sccm，沉积时间60min-180min，最终在合金刀具的表面形成高熵合金氮化物涂层。