一种AlCrSiVN纳米复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种AlCrSiVN纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：a)在基体表面使用阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层；b)使用高功率脉冲磁控电源溅射V靶，使用直流电弧电源阴极蒸发AlCrSi靶，共沉积AlCrSiVN纳米复合涂层。与现有技术相比，本发明专利技术通过拟耦合使用电弧离子镀膜技术及高功率脉冲磁控溅射技术制备得到了AlCrSiVN纳米复合涂层，利用纳米复合结构阻止V元素高温下的快速外扩散行为、增强涂层高温力学性能及抗高温抗氧化能力、抑制高温下钛与涂层之间的扩散反应，并且通过纳米复合结构与掺杂V元素的协同作用，使AlCrSiVN纳米复合涂层表面兼具抗高温氧化、致密性、自润性以及高耐磨特性，从而最终获得具有纳米复合结构、结合力优良且高温下耐磨减摩的AlCrSiVN纳米复合涂层。

A AlCrSiVN nanocomposite coating and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种AlCrSiVN纳米复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及氮化物涂层
，更具体地说，是涉及一种AlCrSiVN纳米复合涂层及其制备方法。
技术介绍
刀具在高速切削过程中承受很高的温升，优异的高温性能是涂层刀具高速切削钛合金的关键。TiC、HfC和TiN、CrN、TiCN等传统碳/氮化物涂层高温氧化起始温度在600℃以下，而AlCrN涂层耐热温度也只能达到900～950℃。研究报道表明，添加Y、Hf等活性元素元素可以显著地提高AlCrN涂层的高温抗氧化及力学性能。在Rovere等研究中(F.Rovere,P.Mayrhofer,etal.,SurfaceandCoatingsTechnology,202(2008)5870)，经过1000℃氧化，添加1at.％Y的Al0.54Cr0.46N涂层其抗高温氧化能力最为优异，而添加2～4at.％Y的AlCrN涂层几乎完全被氧化。在Meister等研究中(S.Domínguez-Meister,S.ElMrabet,etal.,AppliedSurfaceScience,353(2015)504)，添加0.4at.％Y可有效增强AlCrN涂层的抗氧化能力。然而，上述仅通过活性元素掺杂的多元AlCrXN涂层在1000℃以上环境温度下仍存在高温氧化与硬度下降的问题。此外，制备纳米多层涂层如AlCrN/TiAlN、AlCrN/TiSiN等，通过纳米多层调制结构的强化作用可提升增强AlCrN涂层的力学性能及摩擦学性能，但控制工艺的复杂性限制了纳米多层涂层刀具在实际工业生产中的应用。于AlCrN基硬质涂层中添加Si或O元素制备AlCrSiN或AlCrON纳米复合结构涂层，是大幅增强AlCrN基涂层高温力学及高温抗氧化性能的有效手段(T.Polcar,A.Cavaleiro,MaterialsChemistryandPhysics,129(2011)195、C.Tritremmel,R.Daniel,etal.,Thinsolidfilms,534(2013)403)。与氮化物涂层相比，氧氮化物涂层热化学稳定性更好，AlCrON涂层耐热性可到1100～1200℃以上，但氧氮化物涂层韧性差、硬度低(低于20GPa)，在切削钛合金时力学性能不足，涂层刀具失效快。在实际切削加工中，除了抗氧化性能以及高温力学性能外，涂层的摩擦磨损性能是影响涂层刀具高速干式切削性能的另一个重要因素。Sánchez-López等(J.Sánchez-López,A.Contreras,etal.,ThinSolidFilms,550(2014)413)研究结果显示，尽管AlCrYN硬质涂层的磨损率相比AlCrN涂层有所降低，但摩擦系数却高达0.7。在高温摩擦磨损过程中，AlCrN涂层表面生成的氧化产物Al2O3及Cr2O3因其具有较高的离子电势而难以发生剪切，导致AlCrN及AlCrYN涂层呈现出较大的摩擦系数，制约了其在高速干式切削加工上的应用。优化设计硬质涂层元素组成，使其表面在高温环境下生成具有高离子电势的Magnéli相固体氧化物(MenO2n-1、MenO3n-1、MenO3n-2，其中Me为V、W、Mo等)，利用该类型氧化物的高温自润滑特性，从而降低涂层高温下的摩擦系数，成为当前耐磨减摩硬质涂层研究领域的热点。针对AlCrVN等涂层的高温摩擦磨损行为及磨损机制已有报道(K.Bobzin,N.Bagcivan,etal.,Tribologyinindustry,1(2012)101)，组元V在高温下可迅速外扩散至涂层表面氧化生成V2O5，从而达到耐磨减摩的效果。但V元素的快速外扩散行为导致AlCrVN涂层的氧化起始温度急剧降低，加之生成的氧化产物因结构疏松、力学性能差而易于磨损，从而导致AlCrVN涂层在高温服役环境下表现出低摩擦系数、高磨损率的特性，无法满足面向钛合金高速加工刀具涂层的性能要求(Y.Qin,Micromanufacturingengineeringandtechnology,WilliamAndrew,2010)。因此，于AlCrN基硬质涂层中掺杂V或Mo等活性元素，用以增强涂层高温下摩擦学性能的同时，需抑制掺杂组元高温下的快速扩散行为，从而避免对涂层的抗高温氧化性能造成损伤。综上所述，现有技术中的AlCrN基硬质涂层在高温服役环境下还存在前述高温氧化、结合力差、硬度下降、摩擦系数大等技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种AlCrSiVN纳米复合涂层及其制备方法，本专利技术提供的AlCrSiVN纳米复合涂层具有优良的结合力，且具有较好的高温耐磨减摩性能。本专利技术提供了一种AlCrSiVN纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：a)在基体表面使用阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层；b)使用高功率脉冲磁控电源溅射V靶，使用直流电弧电源阴极蒸发AlCrSi靶，共沉积AlCrSiVN纳米复合涂层。优选的，所述步骤a)具体包括以下步骤：a1)将沉积腔室工作温度加热至300℃～450℃，基体加热至350℃～500℃，并抽取沉积腔室内气体；a2)当腔室真空度为4.0×10-3Pa～6.0×10-3Pa后，通入气体流量为40sccm～60sccm的Ar气，调节沉积腔室内环境压力为0.5Pa～3.0Pa，将金属Cr靶材电弧电源功率调节为0.5kW～2kW，工作8min～35min；a3)金属Cr靶经预蒸发处理后，设定腔体温度为350℃～450℃，基体为380℃～480℃，转动样品台，使基体正对金属Cr靶，且与靶材的距离为15cm～20cm，调节沉积腔室N2气压力至0.5Pa～2.0Pa，采用阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层。优选的，步骤a3)中所述阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层的Cr金属电弧靶功率为1.0kW～3.0kW，沉积时间为3min～15min，基体加载负偏压大小为-75V～-125V。优选的，所述步骤b)具体包括以下步骤：b1)在CrN过渡层沉积完成之后，维持腔体温度为350℃～450℃、基体温度为350℃～500℃，转动样品台是基体处于V靶和AlCrSi靶中间位置，且与上述两靶间距均为15cm～20cm，通入N2气，使得Ar气与N2气总流量为60sccm～120sccm，N2气分压比为40％～100％；b2)调节沉积腔室压力至0.6Pa～2.0Pa，同时开启V磁控靶及AlCrSi电弧靶，使用高功率脉冲磁控电源溅射V靶，使用直流电弧电源阴极蒸发AlCrSi靶，共沉积得到AlCrSiVN纳米复合涂层。优选的，步骤b2)中所述使用高功率脉冲磁控电源溅射V靶的功率为0kW～2.0kW。优选的，步骤b2)中所述使用直流电弧电源阴极蒸发AlCrSi靶的功率为1.5kW～2.5kW。优选的，步骤b2)中所述沉积的过程中基体转架转速为3rpm～5rpm；所述沉积的时间为1h～3h，基体加载负偏压大小为-75V～-125V。优选的，步骤a)中所述在基体表面使用阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层前，还包括：对基体进行预处理，得到预处理后的基体；所述预处理的过程具体为：将基体进行机械研磨、抛光处理后，采用溶剂进行清洗处理；之后进行离子源轰击清洗处理，得到预处理后的基体。优选的，所述采用溶剂进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种AlCrSiVN纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：a)在基体表面使用阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层；b)使用高功率脉冲磁控电源溅射V靶，使用直流电弧电源阴极蒸发AlCrSi靶，共沉积AlCrSiVN纳米复合涂层。

【技术特征摘要】
1.一种AlCrSiVN纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：a)在基体表面使用阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层；b)使用高功率脉冲磁控电源溅射V靶，使用直流电弧电源阴极蒸发AlCrSi靶，共沉积AlCrSiVN纳米复合涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)具体包括以下步骤：a1)将沉积腔室工作温度加热至300℃～450℃，基体加热至350℃～500℃，并抽取沉积腔室内气体；a2)当腔室真空度为4.0×10-3Pa～6.0×10-3Pa后，通入气体流量为40sccm～60sccm的Ar气，调节沉积腔室内环境压力为0.5Pa～3.0Pa，将金属Cr靶材电弧电源功率调节为0.5kW～2kW，工作8min～35min；a3)金属Cr靶经预蒸发处理后，设定腔体温度为350℃～450℃，基体为380℃～480℃，转动样品台，使基体正对金属Cr靶，且与靶材的距离为15cm～20cm，调节沉积腔室N2气压力至0.5Pa～2.0Pa，采用阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤a3)中所述阴极电弧蒸发沉积CrN过渡层的Cr金属电弧靶功率为1.0kW～3.0kW，沉积时间为3min～15min，基体加载负偏压大小为-75V～-125V。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括以下步骤：b1)在CrN过渡层沉积完成之后，维持腔体温度为350℃～450℃、基体温度为350℃～500℃，转动样品台是基体处于V靶和AlCrSi靶中间位置，且与上述两靶间距均为15cm～20cm，通入N2气，使得Ar气与N2气总流量为60sccm～120sccm，N2气分压比为40％～100％...

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