[发明专利]一种TiAlSiN梯度硬质涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种TiAlSiN梯度硬质涂层，包括基体，基体的顶部附着有Cr打底层，Cr打底层的顶部附着有成分梯度变化TiAlSiN层，TiAlSiN梯度层的顶部附着有TiSiN层，TiAlSiN梯度层中各元素的原子百分比含量变化范围为,Ti:25‑45at％，Al:10‑25at％，Si:2‑8at％，根据沉积偏压不同，成分依次变化。本发明，具有增加TiAlSiN涂层与基体的结合力、增强刀具的使用寿命的优点。

技术领域

本发明涉及硬质镀膜领域，特别涉及一种TiAlSiN梯度硬质涂层及其制备方法。

背景技术

TiAlN涂层是一种硬度高，耐磨性好，抗高温氧化性好的硬质合金涂层，广泛应用于切削刀具和机械零件的表面改性。通过将Si引入TiAlN体系，Si与N原子结合形成表面非晶相Si₃N₄，可以使TiAlN涂层具有更优异的力学性能和更好的热稳定性，能够显著提高被涂层后刀具的使用寿命。但是，由于TiAlSiN涂层的高硬度特征，使其使其与基体的各项力学性能差异较大，容易导致应力集中，造成膜基结合失效。有研究表明，随着沉积时弧电流增大，涂层的硬度会增大，但同时残余应力也会随着增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种TiAlSiN梯度硬质涂层及其制备方法，通过梯度的改变沉积弧电流，使其接近基体处的膜层残余应力较小，接近表面的膜层硬度较大。通过合理设计，既减小了涂层和基底之间的硬度差异和应力，提高膜基结合力，又可以维持TiAlSiN涂层自身、增加TiAlSiN涂层与基体的结合力、增强刀具的使用寿命的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种TiAlSiN梯度硬质涂层，包括基体，所述基体的顶部附着有Cr打底层，所述Cr打底层的顶部附着有成分梯度变化TiAlSiN层，所述TiAlSiN梯度层的顶部附着有TiSiN层，所述TiAlSiN梯度层中各元素的原子百分比含量变化范围为,Ti:25-45at％，Al:10-25at％，Si:2-8at％，根据沉积弧电流不同，成分相应变化。

包括以下步骤：

步骤1、在基体上表面采用电弧离子镀沉积Cr打底层；

步骤2、在Cr打底层上通过改变弧电流沉积TiAlSiN梯度层；

步骤3、在TiAlSiN梯度层上沉积TiSiN层。

其中优选方案如下：

优选的：具体操作步骤如下：

1)将基体材料设置在真空室中的旋转支架上，将真空室抽真空至基本压力1.0×10^-3Pa以下，加热至500-700℃；然后，用纯度至少为99.99％Ar将真空室的腔体填充至1.0×10^-1-1.0Pa；启动Ar离子辉光放电，对基体材料的表面进行等离子体蚀刻30-40分钟,然后点燃若干个Cr靶进行2-5分钟Cr打底层沉积；

2)沉积梯度层，首先关闭Cr靶，通入400-600ccm的N₂气，同时点燃若干个TiSi靶和若干个AlTi靶，调整TiSi靶弧电流为40-70A，AlTi靶弧电流为110-140A，沉积TiAlSiN涂层20-30分钟；然后调整TiSi靶弧电流为60-80A，保持AlTi靶弧电流为110-140A，沉积TiAlSiN涂层20-30分钟；继续调整TiSi靶弧电流为80-100A，AlTi靶弧电流为80-100A，沉积TiAlSiN涂层20-30分钟；最后调整TiSi靶弧电流为110-140A，AlTi靶弧电流为40-70A，沉积TiAlSiN涂层20-30分钟；

3)沉积TiSiN层，保持TiSi靶弧电流不变，关闭若干个AlTi靶，沉积TiSiN涂层20-30分钟。