一种高温抗氧化AlCrYN涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属材料涂层制备技术领域，公开了一种高温抗氧化AlCrYN涂层及其制备方法和应用，所述AlCrYN涂层包括CrN过渡层和AlCrYN功能层；所述CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr：45～75at％，N：25～55at％；所述AlCrYN功能层各元素的原子百分比含量为Al：16～33at.％，Cr：10～30at.％，Y：0.5～4at.％，N：40～56at.％。该涂层组织结构致密，表面光洁度高，具有良好的高温抗氧化性、高温耐磨性和结合力，能够与金属衬底牢固结合；本发明专利技术利用脉冲阴极电弧离子镀制备AlCrYN涂层，制备过程可控，工艺简单，重复性好，且沉积速率高。

A High Temperature Antioxidant AlCrYN Coating and Its Preparation Method and Application

The invention belongs to the technical field of material coating preparation, and discloses a high temperature oxidation resistant AlCrYN coating, its preparation method and application. The AlCrYN coating includes CrN transition layer and AlCrYN functional layer. The atomic percentage content of each element in the CrN transition layer is: Cr: 45-75 at%, N: 25-55 at%; and the atomic percentage content of each element in the AlCrYN functional layer is Al: 16-33 at.%. Cr: 10-30 at.%, Y: 0.5-4 at.%, N: 40-56 at.%. The coating has compact structure, high surface finish, good high temperature oxidation resistance, high temperature wear resistance and adhesion, and can be firmly combined with metal substrates. The preparation process of AlCrYN coating by pulsed cathode arc ion plating is controllable, the process is simple, the repeatability is good, and the deposition rate is high.

【技术实现步骤摘要】
一种高温抗氧化AlCrYN涂层及其制备方法和应用
本专利技术属材料涂层制备
，更具体地，涉及一种高温抗氧化AlCrYN涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
随着制造业的发展，人们对产品的要求越来越高、需求越来越多，这就要求现代切削加工向更高的精度、更高的速度、更低的成本、更长的寿命和更环保等方向发展。AlCrN涂层由于其中的Al取代了Cr-N晶格中的Cr,而具有优异的硬度、耐磨性、抗氧化性和热稳定性，可用于切削加工刀具和高温防护领域，有望作为TiAlN刀具涂层的替换者而受到广泛关注。但在恶劣的切削加工环境下，刀尖的温度往往都会超过1000℃，且在冲击载荷的作用下，传统的AlCrN涂层极其容易因涂层软化、氧化和剥落导致刀具失效，造成严重的损失。为了克服上述问题，通常有两种改善涂层性能的途径，其一是通过调整涂层结构，例如制备成纳米多层结构，能有效提高涂层韧性等性能；其二是通过掺杂其他元素，改变涂层晶体结构，从而提高涂层某方面的性能。通过添加反应性元素Y，可以起到晶粒细化和固溶强化的作用，使涂层微观结构变得更加致密，有效阻止涂层被进一步氧化，提高了涂层的硬度、抗氧化性等性能。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本专利技术首要目的在于提供一种高温抗氧化AlCrYN涂层，该涂层具有良好的高温抗氧化性、高温耐磨性以及膜基结合强度。本专利技术的另一目的在于提供上述AlCrYN涂层的制备方法。该方法采用脉冲阴极电弧离子镀。本专利技术再一目的在于提供上述AlCrYN涂层的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：一种高温抗氧化AlCrYN涂层，所述AlCrYN涂层包括CrN过渡层和AlCrYN功能层；所述CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr：45～75at％，N：25～55at％；所述AlCrYN功能层各元素的原子百分比含量为Al：16～33at.％，Cr：10～30at.％，Y：0.5～4at.％，N：40～56at.％。优选地，所述CrN过渡层的厚度为150～500nm；所述AlCrYN功能层的厚度为2～5μm。所述的高温抗氧化AlCrYN涂层的制备方法，包括如下具体步骤：S1.包括工件预处理工序：将金属衬底进行抛光处理后置于超声清洗槽中，并先后用丙酮和无水乙醇浸泡清洗，取出衬底并用N2气吹干，将吹干后的衬底固定在真空腔体内的转架上，使衬底与靶材处于同一水平面上，调整工件转架转速；S2.工件刻蚀工序包括脉冲刻蚀和直流刻蚀：其中，脉冲刻蚀的具体方法为：开启加热器电源，使腔体加热至350℃～450℃；打开真空泵抽气，使真空度下降到5.0×10-3Pa以下；然后通入Ar气和Kr气，使腔压稳定在0.5～1.5Pa，调节工件转架偏压为-600～-900V，频率为10～200kHz，对衬底表面进行脉冲刻蚀；直流刻蚀的具体方法为：通入Ar气和Kr气，调节工件转架偏压为-100～-250V，调节离子源电流为15～30A，对衬底表面进行直流刻蚀；S3.涂层沉积工序：沉积CrN过渡层的具体方法为：真空腔体温度调节范围为350℃～450℃，将偏压调节为-70～-150V，通入N2气，使腔压稳定在1～2Pa，开启Cr靶电弧电源，Cr靶电弧电源输出的电流波形为矩形波，平均电流为50～100A，频率为10～180Hz，占空比为2％～70％，沉积得CrN过渡层；沉积AlCrYN功能层的具体方法为：真空腔体温度调节范围为350℃～450℃，将偏压调节为-70～-150V，通入N2气，使腔压稳定在1～2Pa，开启AlCrY靶电弧电源，AlCrY靶电弧电源输出的电流波形为矩形波，平均电流为50～100A，频率为10～180Hz，占空比为2％～70％，在CrN过渡层上沉积得AlCrYN功能层，即得AlCrYN涂层。优选地，步骤S1中所述浸泡清洗的时间为15～20min，所述衬底与靶材的距离为8～12cm，所述工件转架转速为1.5～4rpm。优选地，步骤S2中所述Ar气的流量为150～250sccm，所述Kr气的流量为50～100sccm。优选地，步骤S2中所述脉冲刻蚀的时间为10～20min，所述直流刻蚀的时间为20～40min。优选地，步骤S3中所述N2气的流量为300～550sccm。优选地，步骤S3中所述CrN过渡层的沉积时间为15～40min，所述AlCrYN功能层的沉积时间为1～4h。所述的高温抗氧化AlCrYN涂层在加工刀具或机械零部件领域中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术的高温抗氧化AlCrYN涂层组织结构致密，表面光洁度高，具有良好的高温抗氧化性、高温耐磨性以及膜基结合强度。其中，CrN过渡层可以提高涂层与衬底的结合力，同时也可为AlCrYN功能层提供有力支撑。2.本专利技术采用脉冲阴极电弧离子镀技术制备AlCrYN涂层，靶材在电弧电源脉冲放点过程中能够产生高密度的等离子体，使涂层沉积速率高，涂层组织结构致密，再者，工艺简单，重复性好，在制备过程中，气体流量、占空比、频率、电流、电压等都可控，适合工业上的大批量生产，具有良好的经济效益。3.本专利技术AlCrYN涂层中的Y可产生晶粒细化和固溶强化的作用，延迟了氧化层的生长，提高了涂层的高温抗氧化性、高温耐磨性，且该涂层表面光洁、大颗粒少，与衬底结合力高，与AlCrN涂层相比，更适合运载在苛刻的环境下。附图说明图1是实施例1的AlCrYN涂层的结构示意图；图2是实施例2的AlCrYN涂层的表面和截面SEM照片；图3是实施例3的AlCrYN涂层在1000℃下氧化10h后的表面和截面SEM照片；图4是实施例4的AlCrYN涂层的XRD图。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，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例1一种AlCrYN涂层包括CrN过渡层和AlCrYN功能层；其中，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为Cr：48at.％，N：52at.％，AlCrYN表面功能层中各元素的原子百分比含量为Al：28at.％，Cr：15at.％，Y：1at.％，N：56at.％。该涂层制备具体步骤：1.将经过抛光处理的金属衬底依次浸泡在丙酮、无水乙醇中，并各进行超声波清洗15min，清洗完毕后用N2气吹干，然后固定在真空腔体内的转架上，调节转架转速为2rpm；2.打开加热器电源，使真空腔体升温至450℃，打开真空泵电源，使真空腔体真空度降到5×10-3Pa以下；然后对金属衬底进行脉冲刻15min，通入150sccm的Ar气和100sccm的Kr气，调节工件转架偏压为-700V；3.然后对金属衬底进行直流刻蚀25min，通入150sccm的Ar气和100sccm的Kr气，调节工件转架偏压为-200V，设定离子源电流为20A，用以去除基体表面油污和灰尘等杂质。4.沉积CrN过渡层，调节工件转架偏压为-90V，通入350sccm的N2气，使真空腔体腔压控制在1.2Pa附近，开启纯金属Cr靶电弧电源，脉冲阴极电弧电源输出的电流波形为矩形波，输出的脉冲平均电流为70A，脉冲频率为10Hz，占空比为30％，沉积时间为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温抗氧化AlCrYN涂层，其特征在于，所述AlCrYN涂层包括CrN过渡层和AlCrYN功能层；所述CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr：45～75at％，N：25～55at％；所述AlCrYN功能层各元素的原子百分比含量为Al：16～33at.％，Cr：10～30at.％，Y：0.5～4at.％，N：40～56at.％。

【技术特征摘要】
1.一种高温抗氧化AlCrYN涂层，其特征在于，所述AlCrYN涂层包括CrN过渡层和AlCrYN功能层；所述CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr：45～75at％，N：25～55at％；所述AlCrYN功能层各元素的原子百分比含量为Al：16～33at.％，Cr：10～30at.％，Y：0.5～4at.％，N：40～56at.％。2.根据权利要求1所述的高温抗氧化AlCrYN涂层，其特征在于，所述CrN过渡层的厚度为150～500nm；所述AlCrYN功能层的厚度为2～5μm。3.一种根据权利要求1或2所述的高温抗氧化AlCrYN涂层的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：S1.包括工件预处理工序：将金属衬底进行抛光处理后置于超声清洗槽中，并先后用丙酮和无水乙醇浸泡清洗，取出衬底并用N2气吹干，将吹干后的衬底固定在真空腔体内的转架上，使衬底与靶材处于同一水平面上，调整工件转架转速；S2.工件刻蚀工序包括脉冲刻蚀和直流刻蚀：脉冲刻蚀的具体方法为：开启加热器电源，使腔体加热至350℃～450℃；打开真空泵抽气，使真空度下降到5.0×10-3Pa以下；然后通入Ar气和Kr气，使腔压稳定在0.5～1.5Pa，调节工件转架偏压为-600～-900V，频率为10～200kHz，对衬底表面进行脉冲刻蚀；直流刻蚀的具体方法为：通入Ar气和Kr气，调节工件转架偏压为-100～-250V，调节离子源电流为15～30A，对衬底表面进行直流刻蚀；S3.涂层沉积工序：包括沉积CrN过渡层和沉积AlCrYN功能层；沉积CrN过渡层的具体方法为：真空腔体温度调节范围为350℃～450℃，将偏压调节为-70～-150V，通入N2气，使腔压稳定在1～2Pa，开启Cr靶电弧电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王启民，伍一铭，钟星，吴正涛，张腾飞，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44