一种AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺，属于复合涂层制备技术领域。该工艺采用电弧离子镀膜技术在基体上沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层。靶材选取金属Ti靶、AlTi靶、AlTiSi靶。镀膜前先通入氩气，辉光清洗20分钟，随后开启Ti靶依次改变偏压‑800V、‑600V、‑400V、‑200V对基体表面各轰击清洗2min，然后沉积TiN过渡层，最后通入氮气作为反应气体，按照设定好的调制周期交替开启AlTi靶和AlTiSi靶，开始沉积AlTiN/AlTiSiN涂层。本发明专利技术涉及的多层纳米复合涂层制备工艺简单，并且容易工业化生产。制备出的涂层组织结构致密、涂层与基体间的结合力强，具有较高的硬度和强度，良好的耐磨损性能。

A preparation process of AlTiN / altisin multilayer nano composite coating

【技术实现步骤摘要】
一种AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺
本专利技术涉及复合涂层制备
，具体涉及一种AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺。
技术介绍
近年来，在机械、锻造和成型器件上使用耐磨硬质涂层变得越来越重要，不仅可以节约成本，而且还能提高材料的使用寿命。AlTiN涂层因其优良的高温硬度和抗氧化性能，目前已广泛应用于高速钢和硬质合金刀具，这很大程度上归功于铝元素的增加。与二元涂层TiN相比，AlTiN涂层作为刀具的保护层，可减少磨损量及冲击所导致的断裂。虽然AlTiN涂层抗氧化性能相比其他二元涂层得到了明显改善，但仍然不能满足一些高速切削或干切削环境下提出的高硬度、高韧性和耐磨性等要求。为研制结构致密、高硬度、耐磨性的多层纳米复合涂层，本专利采用电弧离子镀膜技术在金属或合金基体上沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层，进一步提高单层涂层的机械性能和实现多层涂层的使役寿命和优良性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺，所制备的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层兼具高硬度、高耐磨性和高热稳定性能。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺，该工艺是采用电弧离子镀膜技术在基体上沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层，靶材选择纯金属Ti靶、AlTi合金靶和AlTiSi合金靶；沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层时，先开启Ti靶，然后交替开启AlTi靶和AlTiSi靶沉积相应的AlTiN层和AlTiSiN层，并控制沉积AlTiN层和AlTiSiN层时的沉积压强、通入气体(Ar和N2)的流量以及各个靶的弧流参数，从而在基体上制备出AlTiN层和AlTiSiN层相互交替叠加的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层。本专利技术在沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层时，弧流均设置为40～100A；开启AlTi靶沉积AlTiN涂层时，设置偏压60～150V(占空比50％～90％)，通入氩气和氮气使沉积压强调节至0.5～2Pa；开启AlTiSi靶沉积AlTiSiN涂层时，设置偏压80～100V(占空比50％～90％)，通入氩气和氮气使沉积压强调节至1～3Pa；根据所需涂层的厚度设置涂层的不同调制周期和沉积时间。沉积AlTiN涂层时，通入氩气的流量为50sccm，通入氮气的流量为350sccm，总流量400sccm；沉积AlTiSiN涂层时，通入氩气的流量为50sccm，通入氮气的流量为600sccm，总流量650sccm。本专利技术方法具体包括如下步骤：(1)各靶材均匀分布在电弧离子镀设备真空室内周围，以保证沉积过程中炉腔内具有较高的等离子体浓度；将预处理后的基片放入镀膜室中央转架上；采用机械泵和分子泵抽真空使真空室气压达到3×10-3Pa以下；(2)辉光轰击清洗：先采用高的负偏压清洗基体10～30min，辉光清洗后开启Ti靶，调整偏压依次至-800V、-600V、-400V、-200V对基体表面分别进行2分钟的轰击清洗；(3)沉积TiN过渡层：辉光轰击清洗后在基体表面沉积一层厚度10～350nm的TiN过渡层以提高涂层与基体之间的结合力；(4)沉积多层复合涂层：开启合金AlTi靶和AlTiSi靶沉积多层复合涂层。上述步骤(2)中，所述辉光清洗的过程为：将炉腔加热至200～500℃，通入氩气200～400sccm，设置脉冲偏压-600～-1000V，真空室压强为1～2.4Pa，对基体进行辉光清洗10～30min。所述轰击清洗过程为：辉光清洗后，开启Ti靶，调整氩气流量为50～100sccm，在-800V、-600V、-400V和-200V负偏压条件下各清洗2min。上述步骤(3)中，沉积TiN过渡层的过程为：辉光轰击清洗后，设置偏压为50～100V(占空比60％～90％)，开启Ti靶，通入氩气流量为50sccm，氮气流量为200sccm，使沉积压强调节至0.5～1.2Pa，沉积10～30min的过渡层TiN。所述基体为金属或硬质合金，所述靶材纯度均为99.9wt.％。所制备的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层是由AlTiN层和AlTiSiN层相互交替叠加而成，涂层调制周期为150-1000nm，周期数≥2，AlTiN层和AlTiSiN层的调制比为1：1，沉积涂层总厚度为3μm。所述AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层均为面心立方结构，没有硬度低的六方相生成，涂层的择优取向晶面为(Ti，Al)N(200)的衍射峰。本专利技术设计机理如下：本专利技术在AlTiN涂层中添加Si元素，利用Al、Ti元素的固溶强化作用和非晶Si3N4细化晶粒以及提高硬度，同时将AlTiN涂层与AlTiSiN进行交替排布形成多层纳米复合涂层，可使AlTiN/AlTiSiN多层复合涂层具有明显优于单层涂层的优异特性并满足人们在耐磨材料领域的广泛需求。本专利技术制备的纳米多层膜是一个调制结构，即一个具有一定重复周期的结构。将两种不同涂层以纳米级尺寸交替沉积，所获得的多层纳米复合结构会出现硬度异常升高的超硬现象，并且集中不同材料的优点，克服单层膜的不足，相比于具有更好的综合机械性能，尤其表现在高硬度、高韧性和优异的耐磨性能。本专利技术的优点如下：1、本专利技术研制的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层具有较高的硬度和韧性，摩擦系数低，耐磨性能好。2、本专利技术研制的AlTiN/AlTiSiN纳米复合涂层具有较高的高温热稳定性能和耐蚀性能，可用于高速干切削加工领域。3、本专利技术研制的AlTiN/AlTiSiN纳米复合涂层厚度均匀且结构致密，与基体具有良好的结合强度。4、本专利技术研制的AlTiN/AlTiSiN纳米复合涂层制备工艺重复性好，应用范围广，具有非常强的实用性。附图说明图1为采用电弧离子镀技术制备的AlTiN/AlTiSiN纳米复合涂层的衍射图谱。图2为采用电弧离子镀技术制备的AlTiN/AlTiSiN纳米复合涂层的表面形貌图。图3为采用电弧离子镀技术制备的AlTiN/AlTiSiN纳米复合涂层的截面形貌图。图4为采用电弧离子镀技术制备的AlTiN/AlTiSiN纳米复合涂层的纳米压痕曲线图。图5为采用电弧离子镀技术制备的AlTiN/AlTiSiN纳米复合涂层划痕测试后的形貌图。图6为采用电弧离子镀技术制备的AlTiN/AlTiSiN涂层的摩擦系数测试曲线图。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术作进一步详细说明。实施例1本实施例为在经抛光处理的304不锈钢片上沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层，试样尺寸为25×30×1mm。基片先进行预处理：依次在丙酮、酒精中各超声清洗15分钟，然后用高纯氮气吹干，再放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺是采用电弧离子镀膜技术在基体上沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层，靶材选择纯金属Ti靶、AlTi合金靶和AlTiSi合金靶；沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层时，先开启Ti靶，然后交替开启AlTi靶和AlTiSi靶沉积相应的AlTiN层和AlTiSiN层，并控制沉积AlTiN层和AlTiSiN层时的沉积压强、通入气体的流量以及各个靶的弧流参数，从而在基体上制备出AlTiN层和AlTiSiN层相互交替叠加的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺是采用电弧离子镀膜技术在基体上沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层，靶材选择纯金属Ti靶、AlTi合金靶和AlTiSi合金靶；沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层时，先开启Ti靶，然后交替开启AlTi靶和AlTiSi靶沉积相应的AlTiN层和AlTiSiN层，并控制沉积AlTiN层和AlTiSiN层时的沉积压强、通入气体的流量以及各个靶的弧流参数，从而在基体上制备出AlTiN层和AlTiSiN层相互交替叠加的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层。


2.根据权利要求1所述的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：沉积AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层时，弧流均设置为40～100A；开启AlTi靶沉积AlTiN涂层时，设置偏压60～150V(占空比50％～90％)，通入氩气和氮气使沉积压强调节至0.5～2Pa；开启AlTiSi靶沉积AlTiSiN涂层时，设置偏压80～100V(占空比50％～90％)，通入氩气和氮气使沉积压强调节至1～3Pa；根据所需涂层的厚度设置涂层的不同调制周期和沉积时间。


3.根据权利要求2所述的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：沉积AlTiN涂层时，通入氩气的流量为50sccm，通入氮气的流量为350sccm，总流量400sccm；沉积AlTiSiN涂层时，通入氩气的流量为50sccm，通入氮气的流量为600sccm，总流量650sccm。


4.根据权利要求3所述的AlTiN/AlTiSiN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺具体包括如下步骤：
(1)将预处理后的基片放入镀膜室中央转架上，真空室气压控制为3×10-3Pa以下；
(2)辉光轰击清洗：先采用高的负偏压辉光清洗基体10～30min，辉光清洗后开启Ti靶，调整偏压依次至-800V、-600V、-400V和-200V对基体表面分别进行2分钟的轰击清洗；
(3)沉积TiN过渡层：辉光...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁钢，侯翔，刘艳梅，阎兵，曹凤婷，朱强，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：天津;12