一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的制备方法，采用电弧离子镀和磁控溅射方法，以AlTiN涂层为支撑层，根据靶材不同距离范围内等离子体能量和密度分布不同的现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在不同等离子体区域停留的时间，从而实现涂层中纳米多层的自组装生成。该涂层在AlTiN支撑层的基础上由富氧层和富氮层构成，富氧层和富氮层交替沉积在硬质合金或陶瓷基体上。涂层的总厚度控制在2～10μm，其中AlTiN支撑层控制在1.5～3.5μm，富氧层和富氮层的单层厚度分别控制在2～20nm和5～100nm。该涂层主要应用在刀具产品表面的防护领域。

Self assembled nano oxygen nitride high temperature resistant coating and preparation method thereof

The invention discloses a self assembling nano nitride high temperature resistant coatings prepared by arc ion plating method and magnetron sputtering method, using AlTiN coating as a supporting layer, according to the different target range of plasma energy and density distribution of different phenomena, by adjusting the sample turntable rotation and revolution speed, change of samples in different the residence time of the plasma region, so as to realize the self assembling nano multilayer coatings in formation. The coating is composed of an oxygen rich layer and a nitrogen rich layer on the basis of the AlTiN support layer, and the oxygen rich layer and the rich nitrogen layer are alternately deposited on the hard alloy or the ceramic substrate. The total thickness of the coating is controlled at 2~10 m, wherein the AlTiN support layer is controlled at 1.5 to 3.5 mu m, and the single-layer thickness of the oxygen rich layer and the nitrogen rich layer are controlled at 2 to 20nm and 5 to 100nm respectively. The coating is mainly used in the protection of the surface of cutting tools.

【技术实现步骤摘要】
一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法
本专利技术属于材料涂层
，更具体地，涉及一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法。
技术介绍
高温合金是制造航空发动机的关键材料，在车辆、火电、核电和石油化工等民用产业也有着不可替代的应用，但是极难切削加工，相对加工性仅5％-15％，切削力大、温度高，粘着、加工硬化和刀具磨损严重，切削加工是高温合金应用的瓶颈难题。涂层硬质合金具有良好的综合性能，是首选刀具材料。物理气相沉积(PVD)涂层刀具刃口锋利，且压应力抑制裂纹，在应用较多的高速硬铣削中PVD涂层占优；高铝氮化物涂层(如AlTiN、AlCrN、AlTiSiN)是目前高速切削刀具涂层主流，中低速度下铣削高温合金取得较好效果，但高温下硬度下降、氧化和与被加工材料反应，限制了高速切削速度和效率的进一步提高。基于切削性能良好的TiAlN和AlCrN涂层，人们采用PVD技术制备出TiAlON、AlCrON、AlCrSiON等氧氮化物涂层，高温摩擦性能优于氮化物涂层，热导率降低5-10倍，切削铸铁和不锈钢性能优于氮化物涂层；Al/Cr成分比优化可获得较好的力学性能和高温性能；Si加入对稳定立方相结构有利，涂层在氧含量较高时仍保持较高的硬度。但总体而言，氧氮化物涂层性能还有差距，富氮的氧氮化物涂层结构和性能与氮化物相似，高温稳定性、高温摩擦性能逊色于氧化物涂层；涂层结构接近氧化物时硬度和韧性急剧下降。氧化物涂层具有更好的热稳定性、化学稳定性和抗高温氧化能力，更适合高速切削，但硬度、韧性等力学性能较差限制其应用；氮化物/氧化物多层复合可改善氧化物力学性能，TiAlN/Al2O3多层刀具涂层有良好的切削性能，但氧化物需特殊的沉积工艺限制其推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法，可以采用电弧离子镀和磁控溅射方法，首先沉积结合力良好的支撑层涂层，然后根据靶材不同距离范围内等离子体能量和密度分布不同的现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在不同等离子体区域停留的时间，从而实现涂层中纳米多层的自组装生成。该涂层制备工艺简单，成本低廉，适应性好，且兼顾氮化物以及氧化物涂层的优势，有很大的应用推广潜力。本专利技术的另一目的是提供一种上述制备方法得到的自组装纳米氧氮化物耐高温涂层。本专利技术的再一目的是提供上述自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的应用。本专利技术上述目的通过以下技术方案予以实现：一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的制备方法，包括如下具体步骤：S1.金属基体清洗：将基体抛光处理，然后先后用丙酮、酒精超声清洗8～18min，再用氮气吹干后装入真空室内；S2.Ar和金属离子轰击：将靶材Cr靶、AlTi靶和AlCr(Si)靶安装进设备，打开加热器升温至250～550℃，将真空室抽真空至真空度1.0～6.0×10-3Pa；然后通入200～350sccm的Ar气，设置工件支架偏压-800～-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间8～18min；再将偏压降至-500～-700V，点燃Cr靶，靶材电流65～155A，用高能Cr离子轰击基体2～15min，活化金属基体表面以提高膜-基结合力；S3.沉积AlTiN支撑层：采用电弧离子镀法，将偏压调至-100～-200V，通入200～300sccm的N2气，调节气压至1.0～3.0Pa，点燃AlTi靶，沉积AlTiN过渡层15～40min；S4.沉积纳米多层涂层：通入O2和N2，调节样品转架自转速度和公转速度，控制气压在1.5～3.5Pa，点燃AlCr(Si)靶，靶材电流65～155A，偏压-65～-200V，沉积时间0.5～2.5h；S5.关闭电弧电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层，即为自组装纳米氧氮化物涂层。优选地，步骤S3中所述自转速度为1～8r/min，所述公转速度为0～8r/min。优选地，步骤S3中所述AlTi靶的各元素原子百分比为Al：55～70at.％，Ti：20～35at.％。优选地，步骤S3中所述O2占O2和N2总体积的5～30％。优选地，步骤S4中所述CrAl(Si)靶的各元素原子百分比为Cr：20～35at.％，Al：55～70at.％，Si：0～20at.％。优选地，步骤S1-S5中所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。优选地，所述自组装纳米氧氮化物耐高温涂层包括AlTiN支撑层、富氧层CrAl(Si)ON和富氮层CrAl(Si)ON，所述富氧层和富氮层交替沉积在AlTiN支撑层上。优选地，所述自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的总厚度为2～10μm，所述AlTiN支撑层的厚度为1.5～3.5μm，所述富氧层的单层厚度为2～20nm，所述富氮层的单层厚度为5～100nm。优选地，所述AlTiN支撑层中各元素的原子百分比含量为：Al：25～35at.％，Ti：15～20at.％，N：25～45at.％。上述自组装纳米氧氮化物耐高温涂层在刀具产品表面的防护领域中的应用。本专利技术方法形成交替富氧CrAl(Si)ON/富氮CrA(Si)ON涂层是通过在沉积AlTiN支撑层基础上根据靶材不同距离范围内等离子体能量和密度分布不同的现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在不同等离子体区域停留的时间，制备出新型的自组装纳米多层氧氮化物涂层。AlTiN支撑层涂层具有良好的抗磨损、膜基结合性及高温热稳定性，在刀具切削过程中能较好的保护刀具基体及防止涂层脱落。富氧/富氮交替CrAl(Si)ON多层兼顾氮化物韧性较好以及氧化物涂层热稳定性好的优势。在涂层中参入氧元素提前生成润滑性氧化物(Cr2O3、SiO2)，在剧烈磨损的切削摩擦过程中起到润滑作用，能降低切削摩擦力。同时克服了氧化物涂层制造困难的缺点又提高了氮化物涂层的性能，工艺简单，可操作性强，可控性好，成本低廉，适应性好，适用于机械零部件、刀模具等产品表面的防护，高温合金等难加工材料的切削加工，具有较好的经济效益。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术在沉积AlTiN支撑层基础上根据靶材不同距离范围内等离子体能量和密度分布不同的现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在不同等离子体区域停留的时间，制备出新型的自组装纳米多层氧氮化物涂层，不仅提高了涂层之间的结合力，高温热稳定性，同时也提高了涂层的抗裂纹扩展能力，降低压应力，使涂层可以适用于恶劣条件下的工作环境。2.本专利技术采用电弧离子镀和磁控溅射方法，兼顾氮化物以及氧化物涂层的优势，克服了氧化物涂层制造困难的缺点又提高了氮化物涂层的性能，工艺简单，可操作性强，可控性好，成本低廉，适应性好，适用于机械零部件、刀模具等产品表面的防护，高温合金等难加工材料的切削加工，具有较好的经济效益。附图说明图1是所用电弧沉积装置的示意图。图2是自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的SEM和TEM图。图3是自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的结构示意图。图4是实施例2所得自组装纳米多层氧氮化物耐高温涂层的刀具与工业上常用刀具涂层的车削寿命对比图。图5是实施例2所得自组装纳米多层氧氮化物耐高温涂层的高温退火后XRD衍射图谱。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：S1.金属基体清洗：将基体抛光处理，然后先后用丙酮、酒精超声清洗8～18min，再用氮气吹干后装入真空室内；S2.Ar和金属离子轰击：将靶材Cr靶、AlTi靶和AlCr(Si)靶安装进设备，打开加热器升温至250～550℃，将真空室抽真空至真空度1.0～6.0×10

【技术特征摘要】
1.一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：S1.金属基体清洗：将基体抛光处理，然后先后用丙酮、酒精超声清洗8～18min，再用氮气吹干后装入真空室内；S2.Ar和金属离子轰击：将靶材Cr靶、AlTi靶和AlCr(Si)靶安装进设备，打开加热器升温至250～550℃，将真空室抽真空至真空度1.0～6.0×10-3Pa；然后通入200～350sccm的Ar气，设置工件支架偏压-800～-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间8～18min；再将偏压降至-500～-700V，点燃Cr靶，靶材电流65～155A，用高能Cr离子轰击基体2～15min，活化金属基体表面以提高膜-基结合力；S3.沉积AlTiN支撑层：采用电弧离子镀法，将偏压调至-100～-200V，通入200～300sccm的N2气，调节气压至1.0～3.0Pa，点燃AlTi靶，沉积AlTiN过渡层15～40min；S4.沉积纳米多层涂层：通入O2和N2，调节样品转架自转速度和公转速度，控制气压在1.5～3.5Pa，点燃AlCr(Si)靶，靶材电流65～155A，偏压-65～-200V，沉积时间0.5～2.5h；S5.关闭电弧电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层，即为自组装纳米氧氮化物涂层。2.根据权利要求1所述自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述自转速度为1～8r/min，所述公转速度为0～8r/min。3.根据权利要求1所述自组装纳米氧氮化物耐高温涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王启民，黎海旭，代伟，吴正涛，耿东森，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44