一种高韧性TiAlNiN涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于表面工程及切削刀具技术领域，公开一种高韧性TiAlNiN涂层及其制备方法和应用。该涂层具有分子式Ti

A high toughness tialnin coating and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性TiAlNiN涂层及其制备方法和应用
本专利技术属于表面工程及切削刀具
，特别涉及一种高韧性TiAlNiN涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
现代切削技术的高速发展，对于刀具材料提出了更高的要求，刀具材料的正确选择对于切削加工的质量、精度以及提高刀具的使用寿命起到决定性的作用。TiAlN涂层作为最常见的三元涂层，具有NaCl晶体结构，其Al原子取代由TiN晶格中Ti原子的位置，具有高的硬度、良好的耐磨性和抗氧化性。尤其是它在高温下(800-1000℃)热作用下会产生调幅分解反应，形成富Ti和富Al的纳米尺寸区域，产生明显时效硬化效果，因此被广泛用于刀具上，大大提高了切削的效率。然而，高速切削和干式切削技术的发展与应用对刀具防护涂层更高的要求。TiAlN涂层刀具使用过程还会承受着力的作用，对于间断式的切削加工(如铣削)，涂层刀具还会受到一定的冲击作用，表面涂层因此发生破裂和剥落等现象，其可靠性受到涂层韧性的制约，使TiAlN涂层刀具的切削性能过早的下降甚至失效，因此不仅要制备高硬度(>30GPa)的TiAlN基涂层，还需要寻求提升TiAlN涂层韧性的有效途径。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种高韧性TiAlNiN涂层；通过合金成分设计，引入Ni金属相构建复合结构涂层，在保持高硬度的同时改善TiAlN基涂层的韧性，满足先进切削加工的使用需要。本专利技术的又一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的高韧性TiAlNiN涂层。本专利技术的再一目的在于提供一种上述高韧性TiAlNiN涂层的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种高韧性TiAlNiN涂层，所述高韧性TiAlNiN涂层具有分子式TixAlyNizN，其中x：15.00～65.00at.％，y：15.00～65.00at.％，z：5.00～20.00at.％，x+y+z＝100％；金属与N的原子比归一化为1:1。所述高韧性TiAlNiN涂层的厚度为2～5μm。上述的高韧性TiAlNiN涂层的制备方法，包括以下操作步骤：S1.将硬质合金基体进行抛光处理，然后先后在酒精和丙酮中进行超声波清洗，清洗完成后用高纯氮气吹干，并将处理好的基体固定在工件转架上。S2.将炉腔抽真空至真空度5×10-3Pa以下，并且将温度加热到400～600℃；S3.打开Ar气流量阀通入Ar气，调节气压至1.5～2.5Pa，开启直流脉冲偏压电源，调节基体偏压、频率，并将温度降至300～400℃，对基体进行辉光清洗；S4.关闭Ar气流量阀，打开N2气流量阀，调节流量使腔压保持在2.0～3.0Pa；设置基体偏压，点燃TiAlNi靶，沉积TiAlNiN涂层。步骤S1中所述超声波清洗的时间为10～30min。步骤S3中所述基体偏压为-400～-1000V，频率为10～100kHz；所述辉光清洗的时间为30～60min。步骤S4中所述基体偏压为-40～-150V；所述沉积的时间30～120min。步骤S4中所述TiAlNi靶的成分Ti、Al、Ni按照原子质量百分比为(15～65)：(15～65)：(5～20)。上述的高韧性TiAlNiN涂层在切削刀具和成形模具的表面耐磨防护中的应用。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)本专利技术制备的TiAlNiN涂层，经过Ar离子的轰击，能保持较好的结合力有效控制残余应力。(2)本专利技术采用电弧离子镀沉积制备的TiAlNiN涂层，在TiAlN的基础之上加入了Ni元素引入金属相，在保证TiAlN硬度得同时，降低了其弹性模量，提升韧性。(3)本专利技术制备的TiAlNiN涂层，具有沉积速率高，可控性可操作性强等优点，可以应用于刀具、模具等涂层防护领域。附图说明图1为实施例1中TiAlNiN涂层的表面以及截面SEM图；图2为实施例2中TiAlNiN涂层的表面以及截面SEM图；图3为实施例3中TiAliNiN涂层的表面以及截面的SEM图；图4为实施例1、2和3中TiAlNiN涂层的XRD图谱；图5为对比例1中的TiAlN及实施例1、2和3中TiAlNiN涂层的硬度和弹性模量值以及H3/E2值对比图；图6为对比例1中的TiAlN与实施例1、2和3中TiAlNiN涂层的划痕示意图。具体实施方式下面结合具体实施例及附图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11、将抛光的硬质合金块先后置于丙酮和乙醇溶液中进行超声波清洗，分别清洗15min；清洗完成后用纯度≥99.5％的氮气吹干；2、将清洗后的样品装夹在工件转架上，调节转架的公转速度为3rmp，打开机械泵和分子泵抽取真空，并打开加热器，设置加热温度为500℃；3、待真空度达到5.0×10-3Pa，打开Ar气流量阀，调节流量，控制腔压在2.0Pa，设置基体上的偏压为-400V，频率为100kHz，对基体进行辉光清晰60min，同时将温度调到350℃；4、关闭Ar气流量阀，打开N2气流量阀，调节流量使腔压保持在3.0Pa，设置基体上的偏压为-150V，设置Ti45Al50Ni5电弧靶电流为100A，点燃Ti45Al50Ni5电弧靶，沉积TiAlNiN涂层，沉积时间为30min；5、沉积结束后，关闭靶电源以及偏压电源，关闭N2气流量阀及加热器，待腔室温度降至室温后即可开炉门取出样品，完成镀膜，得到2～3μm厚TiAlNiN涂层。所得TiAlNiN涂层的表面以及截面SEM图如图1所示。本实施例制备的TiAlN涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：22.74at.％，Al：22.95at.％，Ni：2.11at.％，N：52.22at.％。对比例11、将抛光的硬质合金块分别置于丙酮和乙醇溶液中进行超声波清洗，分别清洗15min；清洗完成后用纯度≥99.5％的氮气吹干；2、将清洗后的样品装夹在工件转架上，调节转架的公转速度为3rmp，打开机械泵和分子泵抽取真空，并打开加热器，设置加热温度为500℃；3、待真空度达到5.0×10-3Pa，打开Ar气流量阀，调节流量，控制腔压在2.0Pa，设置基体上的偏压为-400V，频率为100kHz，对基体进行辉光清晰60min，同时将温度调到350℃；4、关闭Ar气流量阀，打开N2气流量阀，调节流量使腔压保持在3.0Pa，设置基体上的偏压为-150V，设置Ti50Al50电弧靶电流为100A，点燃Ti50Al50电弧靶，沉积TiAlN涂层，沉积时间为30min；5、沉积结束后，关闭靶电源以及偏压电源，关闭N2气流量阀及加热器，待腔室温度降至室温后即可开炉门取出样本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高韧性TiAlNiN涂层，其特征在于：所述高韧性TiAlNiN涂层具有分子式Ti

【技术特征摘要】
1.一种高韧性TiAlNiN涂层，其特征在于：所述高韧性TiAlNiN涂层具有分子式TixAlyNizN，其中x：15.00～65.00at.％，y：15.00～65.00at.％，z：5.00～20.00at.％，x+y+z＝100％；金属与N的原子比归一化为1:1。


2.根据权利要求1所述的高韧性TiAlNiN涂层，其特征在于：所述高韧性TiAlNiN涂层的厚度为2～5μm。


3.根据权利要求1或2所述的高韧性TiAlNiN涂层的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
S1.将硬质合金基体进行抛光处理，然后先后在酒精和丙酮中进行超声波清洗，清洗完成后用高纯氮气吹干，并将处理好的基体固定在工件转架上。
S2.将炉腔抽真空至真空度5×10-3Pa以下，并且将温度加热到400～600℃；
S3.打开Ar气流量阀通入Ar气，调节气压至1.5～2.5Pa，开启直流脉冲偏压电源，调节基体偏压、频率，并将温度降至300～400℃，对基体进行辉光...

【专利技术属性】
技术研发人员：许雨翔，江龙，王启民，彭滨，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44