一种提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层及其制备方法技术

本发明专利技术的实施例公开一种提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层及其制备方法，属于金属表面处理技术领域。所述Zr基高熵合金涂层是指打底层、过渡层以及功能层，厚度分别为200～400nm、2000～4000nm、1000～2000nm。本发明专利技术的该膜层由原子半径不同的多主元元素组成，组织致密，减少了原子扩散通道，提高了涂层的扩散阻挡性能，降低了模具的扩散磨损，且成分从基体到膜层表面的呈线性连续变化，ZrTiN～AlCrSiN过渡层中氮化物含量呈线性连续增加，改善了膜层结构和使用性能的匹配性，膜层中没有出现成分差异界面，保证了高附着力、高硬度和高热震性的同时实现。和高热震性的同时实现。和高热震性的同时实现。

【技术实现步骤摘要】
一种提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属表面处理
，尤其涉及用于提高热锻模具寿命的表面Zr基高熵合金涂层及方法。

技术介绍

[0002]长寿命锻造模具制造技术成为锻造行业自动化生产中的共性难题和“卡脖子”技术瓶颈，迫切需要尽快攻克。
[0003]锻造过程中，模具与炽热金属直接接触，其失效是一个热(温度)
‑
力(摩擦力)
‑
化学介质(润滑剂)等多因素长时间共同作用造成的非线性动力学问题，是多种失效机理耦合下的结果，使用过程中模具常常会出现磨损、疲劳、氧化、断裂及塑性变形等失效形式，而失效往往始于表面，现有的均质热锻模具材料均难以满足热锻模模膛表面及近表面层的使用性能要求。
[0004]现代表面处理技术(如离子氮化、PVD、等离子喷涂等)可以将材料的高强韧性和表面的高硬、高耐磨性有机结合起来，获得综合性能优异的高品质模具，已成为现代模具制造的发展方向。
[0005]采用电弧离子镀技术制备的CrN、TiN、TiAlN、CrAlN、ZrTiN等涂层已在各种切削刀具加工上取得显著效果，得到了工业界的广泛认可；在热作或冷作模具表面制备硬质涂层，以此来大幅提高模具使用寿命，已经引起重视，但在热锻模具领域的应用效果一直差强人意，迫切需要开发新型涂层体系和工艺。
[0006]近年引起国内外学者广泛关注的高熵合金涂层，正逐步展现出凌驾于传统涂层的优异性能，在硬度、耐磨性、耐蚀性、高温稳定性等方面都有着突出的表现。利用表面工程技术在热锻模具表面设计并制备高熵合金涂层是推动高熵合金向多功能运用、高附加值发展的不二之选，将高熵合金氮化物涂层对热锻模具表面进行强化，展现良好的发展前景。
[0007]目前常采用溅射方法进行高熵涂层制备，在硬度、耐磨性、耐腐蚀、抗高温氧化性及耐回火软化等方面性能突出，但存在工艺较为繁琐、涂层结合强度不足、热稳定性能较差等缺陷，在实际应用中不能满足热锻模具高温、重载的恶劣工况，涂层发生过早失效，延寿效果并不明显。
[0008]在已有研究中，针对高熵合金涂层硬度、抗氧化性的报道居多。性能优异(Al
29.1
Cr
30.8
Nb
11.2
Si
7.7
Ti
21.2
)
50
N
50
涂层，硬度可超过35GPa，(Al
0.34
Cr
0.228
Nb
0.11
Si
0.11
Ti
0.22
)
50
N
50
涂层抗氧化数据极为优异。但是热锻模具由于基体硬度较低，一般低于52HRC，热力耦合作用下的弹塑性变形较大，模具模腔深且复杂。故而，热锻模具表面强化层的塌陷、剥落就成为决定热锻模具使用性能的关键。热锻模具的表面强化处理不仅要求得到一定硬度的表面，而且希望获得的强化层与基体具有高的结合强度和相近的线膨胀系数，强化层本身也要有一定的强韧性和耐热性。
[0009]为此，本专利技术针对热锻模具服役条件，系统开发了一种显著提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层及其制备方法。

技术实现思路

[0010]本专利技术解决的技术问题是目前常采用溅射方法进行高熵涂层制备，在硬度、耐磨性、耐腐蚀、抗高温氧化性及耐回火软化等方面性能突出，但存在工艺较为繁琐、涂层结合强度不足、热稳定性能较差等缺陷，在实际应用中不能满足热锻模具高温、重载的恶劣工况，涂层发生过早失效，延寿效果并不明显。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术针对热锻模具服役条件，采用多弧离子镀的方法，利用高熵合金涂层中的涂层原子堆积密度高、空位等缺陷少等优势，减少了原子的扩散通道，开发了一种显著提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层。该Zr基高熵合金涂层的涂层组织致密，优异的热稳定性能阻挡了坯料与热锻模具间的元素扩散现象，Zr基高熵合金涂层与基体具有好的交互作用，结合力良好。
[0012]本专利技术采用如下技术方案：
[0013]一种提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层，所述Zr基高熵合金涂层是指依次沉积于氮化后热锻模具表面的ZrTi打底层、成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层以及ZrTiAlCrSiN功能层。
[0014]优选地，所述成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层是以ZrTiN层到AlCrSiN层作为一个循环周期的多周期涂层。
[0015]优选地，所述成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层中ZrTiAlCrSiN氮化物(ZrTiN、AlCrSiN、ZrTiAlCrSiN)含量逐渐增加。
[0016]优选地，所述的ZrTi打底层、成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层以及ZrTiAlCrSiN功能层的厚度分别为200～400nm、2000～4000nm、1000～2000nm。
[0017]所述的提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层的制备方法，所述方法从前到后的步骤依次为：首先对热锻模具进行前处理，其次对氮化后的热锻模具进行气体离子刻蚀，并对弧源靶材进行选择，之后热锻模具表面制备得到ZrTi打底层，再次在ZrTi打底层上制备成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层，最后在ZrTiN～AlCrSiN过渡层上制备ZrTiAlCrSiN功能层，从而得到用于提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层。
[0018]优选地，具体步骤如下所示：
[0019]步骤一：择H13材质热锻模具作为待镀膜金属基体，对其进行喷砂以及常规去油、去污处理后进行磨粒流抛光处理，然后用碱液进行清洗，烘干后待用；
[0020]步骤二：采用离子氮化的方法对热锻模具进行氮化；将步骤一待用的热锻模具放在氮化炉内，关上炉罩；通入冷却水，打开抽真空系统，打开蝶阀，抽真空至70～60Pa之间后，打开高压，设定高压值为650～800V，逐步增加占空比至炉内产生辉光；占空比增加至70％后，逐步通入氢气和氩气，同时开启辅助加热热源，缓慢加热基体至490～520℃，充入氮气至真空度为260～300Pa，氮化时间为8～10h；
[0021]步骤三：待步骤二氮化后的热锻模具冷却后，挂在镀膜室内，关上镀膜室；打开抽真空系统，抽真空至5
×
10
‑2Pa后打开辅助加热热源，将基体分段预热至440～480℃后，保温60min；待炉腔真空达到5
×
10
‑3Pa后充入氢气和氩气，调节氢气流量、氩气流量，保持镀膜室内真空度为0.6～0.8Pa；开启Ti靶电弧电源，设置电流为130～150A，基体负偏压
‑
30～
‑
200V，对氮化后的热锻模具进行气体离子刻蚀，刻蚀时间为1.5～2.5h；
[0022]步骤四：对弧源靶材进行选择，确定纯度均为99.99％的ZrTi靶和AlCrSi靶相等数...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层，其特征在于：所述Zr基高熵合金涂层是指依次沉积于氮化后热锻模具表面的ZrTi打底层、成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层以及ZrTiAlCrSiN功能层。2.根据权利要求1所述的提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层，其特征在于，所述成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层是以ZrTiN层到AlCrSiN层作为一个循环周期的多周期涂层。3.根据权利要求1所述的提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层，其特征在于，所述成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层中ZrTiAlCrSiN氮化物(ZrTiN、AlCrSiN、ZrTiAlCrSiN)含量逐渐增加。4.根据权利要求1所述的提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层，其特征在于，所述的ZrTi打底层、成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层以及ZrTiAlCrSiN功能层的厚度分别为200～400nm、2000～4000nm、1000～2000nm。5.根据权利要求1所述的提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，所述方法从前到后的步骤依次为：首先对热锻模具进行前处理，其次对氮化后的热锻模具进行气体离子刻蚀，并对弧源靶材进行选择，之后热锻模具表面制备得到ZrTi打底层，再次在ZrTi打底层上制备成分连续变化的ZrTiN～AlCrSiN过渡层，最后在ZrTiN～AlCrSiN过渡层上制备ZrTiAlCrSiN功能层，从而得到用于提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层。6.根据权利要求5所述的提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下所示：步骤一：择H13材质热锻模具作为待镀膜金属基体，对其进行喷砂以及常规去油、去污处理后进行磨粒流抛光处理，然后用碱液进行清洗，烘干后待用；步骤二：采用离子氮化的方法对热锻模具进行氮化；将步骤一待用的热锻模具放在氮化炉内，关上炉罩；通入冷却水，打开抽真空系统，打开蝶阀，抽真空至70～60Pa之间后，打开高压，设定高压值为650～800V，逐步增加占空比至炉内产生辉光；占空比增加至70％后，逐步通入氢气和氩气，同时开启辅助加热热源，缓慢加热基体至490～520℃，充入氮气至真空度为260～300Pa，氮化时间为8～10h；步骤三：待步骤二氮化后的热锻模具冷却后，挂在镀膜室内，关上镀膜室；打开抽真空系统，抽真空至5
×
10
‑2Pa后打开辅助加热热源，将基体分段预热至440～480℃后，保温60min；待炉腔真空达到5
×
10
‑3Pa后充入氢气和氩气，调节氢气流量、氩气流量，保持镀膜室内真空度为0.6～0.8Pa；开启Ti靶电弧电源，设置电流为130～150A，基体负偏压
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵中里，薛勇杰，
申请(专利权)人：赵中里，
类型：发明
国别省市：