[发明专利]一种基于电弧离子镀高通量制备氮化物复合涂层的方法

说明书

本发明涉及一种基于电弧离子镀高通量制备氮化物复合涂层的方法。所述的高通量制备技术为基于高通量制备平台，取一组靶列从上至下分别安装至少三个异种靶材，于另一组靶列安装等量的同种AlCr靶。先开启第二靶列，沉积AlCrN打底层，后开启第一靶列沉积成分连续变化的涂层样品。所述的高通量制备平台是基于工业用的电弧离子镀装备，采用的靶材阵列由上下至少3个弧靶组成，且弧靶成直线排列，每个弧靶由单独的弧电源控制；每个靶可以是单质金属靶或多元合金靶。本发明的高通量制备技术，可以单次制备连续成分和结构的涂层，结合硬度、热稳定性及抗高温氧化性能，可以快速筛选出目标涂层，提高研发效率。

技术领域

本发明涉及一种基于电弧离子镀高通量制备氮化物复合涂层的方法，适用于刀具材料的涂层沉积。

背景技术

氮化物复合涂层由于其具有高的硬度和化学稳定性，又具有一定的塑性，适用于抗腐蚀环境，被广泛应用于刀具、模具、航空发动机等工业领域。目前国际上开发的含N金属陶瓷涂层主要有TiN，CrN，TiAlN等。随着加工技术的不断发展，对氮化物复合涂层提出了更高的性能要求，氮化物涂层的研究趋向于组分多元化，例如添加Cr元素提高涂层抗高温氧化性能；添加Si元素细化晶粒提高涂层的硬度。氮化物复合涂层的性能取决于组成元素的成分，元素的占比决定着涂层的物相组成。

高通量制备技术有别于以“试错法”为主的传统材料研发技术，能够在短时间内完成大量不同组分的样品制备，使得材料研究方法转向低成本、高效率的模式。目前在薄膜沉积工艺中较常用的为多靶共溅射工艺和掩模板辅助技术。然而掩模板制造难度大，会增加制造成本；工具镀对膜基结合力要求高，因此在该领域离子镀比溅射镀的市场占有率更高。多靶共溅射需要通过调整靶材与基体的角度与距离，实现高通量制备，这无疑会提高制造成本。基于溅射技术的高通量技术有很多，如CN109207952A、CN109306461A、CN108330456A，但制备出的涂层结合力不高，这对于工具镀是致命的。基于离子镀的高通量技术鲜有报道，虽然中国专利CN109943813A“一种Al-Cr金属复合涂层的高通量制备方法”采用了高通量技术，但该制备技术采用的为拼接靶，Al元素与Cr元素熔点相差大，涂层沉积过程中，熔点低的Al元素会在基体表面产生大量的团状液滴，影响涂层性能。

传统的电弧离子镀技术为了确保涂层的均匀性，会在同一组靶列上上下安装多个同种成分的靶材，这也使得同一炉样品中只有一种涂层成分。对于开发新的涂层，这样的工艺会耗费大量的时间与资金。因此，开发一种高通量沉积技术，具有重要的研究意义。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于电弧离子镀技术的氮化物复合涂层的高通量制备技术，不需对离子镀设备进行特殊的改造，通过单独控制单个靶材，减少液滴的数量，提高涂层结合力，低成本地实现了氮化物复合涂层的高通量制备。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于电弧离子镀高通量制备氮化物复合涂层的方法，其特征在于，包括高通量制备平台；包括以下具体步骤：

S1.根据高通量制备平台，第一靶列安装上至少三个异种靶材，取一组靶列（第一靶列）从上至下分别安装A、B、C（D/E…）多个异种靶材，于另一组靶列（第二靶列）安装等量的同种AlCr靶；

S2.启动离子源，通入氩气、氢气，单独调控第一靶列中作为辅助阳极的靶材的电源电流及工作时间，对基体进行等离子体刻蚀清洗；

S3.开启第二靶列，利用AlCr靶对基体沉积AlCrN打底层，控制样品温度400~500°C，偏压-40~-60V，通入氮气，保持腔室气压为2~5Pa，靶材电流120~150A，沉积10~20min，得到AlCrN打底层；

S4.开启第一靶列，控制样品温度400~500°C，偏压-50~-80V，通入氮气，保持腔室气压为1~8Pa，靶材电流80~150A，沉积100~120min，得到成分连续梯度变化的涂层样品。