[发明专利]一种TiN梯度纳米硬质涂层及其制备方法

说明书

本发明属于金属材料表面沉积硬质涂层技术领域，具体涉及一种氮化钛(以下称TiN)纳米梯度硬质涂层及其制备方法。在基体表面依次是Ti膜形成的过渡层和TiN层，TiN梯度纳米硬质涂层的厚度为1.5～20微米。本发明离子束辅助电弧离子镀技术完成，通过真空室气压的梯度变化来制备出高强韧性TiN涂层。该涂层除具有高硬度、高韧性外，还具有较低的表面粗糙度、摩擦因数及优异的抗磨损、耐腐蚀等性能。该涂层可刀具、模具及零部件的表面强化，用于提高其使役性能及使用寿命。

技术领域：

本发明属于金属材料表面沉积硬质涂层技术领域，具体涉及一种氮化钛(以下称TiN)纳米梯度硬质涂层及其制备方法。

背景技术：

TiN涂层因其强度高、摩擦因数低、良好的耐腐蚀性能、抗氧化性能和耐磨损性能等而被应用于广泛的领域，如刀具、模具及零部件表面强化等领域，甚至生物医学领域中TiN涂层也有很好的应用，如可作为人工骨关节、牙齿等硬组织替换材料以及生物植入体等的防护涂层使用，可以有效提高生物器件的耐腐蚀性和耐磨损性能，延长使用寿命。但是，TiN涂层由于硬度和耐磨损性能与多元涂层(如：TiAlN、AlCrN等)以及与纳米多层涂层(如：TiN/CrN、AlCrN/AlTiN等)相比还存在明显差距。

而在不添加其它合金元素或不进行多层复合的条件下，如何提高TiN涂层性能称为需要解决的主要问题。目前，人们提出通过梯度结构来实现性能的改善。如：通过气压梯度(牛凤娟.高强韧性纳米TiN梯度薄膜力学性能及腐蚀磨损行为研究.东北大学硕士学位论文,2016年12月)或偏压梯度(曾华智，王海，沈军.梯度基体负偏压真空多弧离子镀沉积TiN涂层及其力学性能.表面技术,2016,2:79-83.)来制备梯度涂TiN层，与普通TiN涂层相比，梯度TiN涂层的力学性能都得到了一定改善。但其涂层表面大颗粒仍较多、涂层耐磨损及耐腐蚀性能仍存在改善的空间。

因此，发展一种既具有良好的力学性能，又具有较好的耐磨损及耐腐蚀性能的TiN涂层不失为解决以上问题的一个重要办法。

发明内容

针对现有涂层材料体系的不足，本发明的目的是提供一种具有较好的力学性能、又具有较好的耐磨性及耐腐蚀性能的TiN梯度纳米硬质涂层及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种TiN梯度纳米硬质涂层，在基体表面依次是Ti膜形成的Ti过渡层和TiN层，Ti过渡层厚度为0.1～2.0微米，TiN梯度纳米硬质涂层的厚度为1.5～20微米。

所述的TiN梯度纳米硬质涂层，TiN层中，N含量为45～55at.％，Ti含量为45～55at.％。

一种TiN梯度纳米硬质涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)工件预清洗：工件表面经喷砂或抛光后在酒精溶液中超声1～20分钟，经热风吹干后装入真空室内的工件架上，等待镀膜；

(2)镀Ti过渡层：当真空室内真空度达到1×10^-3Pa～1×10^-2Pa时，对真空室加热至200～550℃；向真空室通入氩气，气压控制在0.1～2Pa之间；采用电弧增强辉光放电(ArcEnhanced Glow Discharge,AEGD)离子源对工件表面进行辉光清洗40～60分钟；采用电弧离子镀设备进行镀膜，调整氩气流量，使真空室气压为0.5～2.5Pa之间，开启纯钛靶弧源，弧电流为70A～200A，基体脉冲负偏压为-30V～-200V，脉冲偏压占空比为30～80％，沉积5～20分钟；