多层涂层制造技术

本发明专利技术涉及用于对基材(40)进行涂覆的方法、执行所述方法的涂覆系统和经涂覆体。在第一方法步骤(62)中，将基材(40)在离子蚀刻过程中进行预处理。在第二方法步骤(64)中，通过PVD过程在基材(40)上沉积厚度为0.1μm至6μm的第一涂覆层(56a)。为了实现特别高品质且耐用的涂层(50)，在第三方法步骤(66)中，通过离子蚀刻过程对第一涂覆层(56a)的表面进行处理，以及在第四方法步骤(68)中，通过PVD过程在第一涂覆层(56a)上沉积厚度为0.1μm至6μm的另外的涂覆层(56b)。所述经涂覆体包括在基材(40)上的至少两个厚度为0.1μm至6μm的涂覆层(56a、56b、56c、56d)，其中通过离子蚀刻形成的界面区域布置在涂覆层(56a、56b、56c、56d)之间。间。间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多层涂层
[0001]本专利技术涉及用于对基材进行涂覆的方法、用于执行所述方法的涂覆系统和经涂覆体。
[0002]已知向物体或物体的一部分提供表面涂层以改善其特性。特别是对于刀具，已知向功能表面提供硬材料涂层。
[0003]用于施加硬材料涂层的一类已知方法为PVD(物理气相沉积)法的已知方法，例如，其包括阴极溅射和电弧溅射。在这些方法中，将包含溅射的靶材料的涂层沉积在基材上。
[0004]在该方面中，特别地，已知在施加涂层之前对基材进行预处理以实现良好的涂层粘合性。除了化学预处理步骤和机械预处理步骤之外，离子蚀刻步骤—其中离子通过加速电压朝向基材加速，从而在基材表面上产生蚀刻效果—适合于对基材例如硬金属基材或钢基材进行预处理。
[0005]WO 2009/132822 A2描述了用于通过磁控管溅射对物体进行预处理和涂覆的装置和方法。该装置包括具有金属室壁的真空室和其中布置有溅射靶的磁控管。磁控管中的至少一者为用于根据高功率脉冲磁控管溅射(HPPMS，也称为HIPIMS)的运行而提供。将电脉冲馈送至HPPMS磁控管，其中电容元件通过开关元件与溅射靶连接。在该方法中，将待涂覆的物体布置在装置的真空室中，并在HPPMS磁控管的运行期间产生等离子体。在蚀刻步骤中，将负偏压施加至物体并通过用金属离子轰击来对物体进行蚀刻。随后，将偏压持续降低，使得由溅射靶溅射的材料在物体上产生层积累。
[0006]DE 10 2006 019 000 A1描述了用于硬材料涂层的等离子体增强沉积的装置和方法，特别是用于生产钛
‑r/>铝
‑
氮化物层的装置和方法。将可以围绕中心轴旋转的基材支撑体布置在真空室中。将至少一个汽化源和至少一个中空阴极径向布置在基材支撑体外侧。在与轴成直角的平面中，中空阴极与相联的阳极之间的线相对于汽化源的靶与轴之间的线偏移15
°
至70
°
。将中空阴极的电弧放电保持为平行于轴以及来自汽化源的靶材料的汽化。使用Ti:Al比例为1:1的靶以在反应性氮气气氛内生产Ti:Al比例为50:50至40:60的钛
‑
铝
‑
氮化物涂层。
[0007]可以认为目的是确定经涂覆体以及用于对基材进行涂覆的方法和用于执行所述方法的涂覆系统，其中可以实现特别高品质且耐用的涂层。
[0008]该目的通过根据权利要求1的方法、根据权利要求13的涂覆系统和根据权利要求14的经涂覆体来解决。从属权利要求涉及本专利技术的有利实施方案。
[0009]已经表明，PVD法中施加的涂层可以根据涂层厚度而具有不同的特性。特别地，例如，通常表明较长的涂覆持续时间和较大的涂层厚度会增大涂层中的粗糙度和残余应力。因此，本专利技术的基本构思不是以连续的方式生产涂层，而是以目标方式一次或多次中断涂层的生长，然后使涂层的生长重新开始。
[0010]根据本专利技术的方法最初在第一方法步骤中通过离子蚀刻过程提供了对基材的预处理。在此，产生离子例如气体离子或优选地金属离子，并且离子通过偏压朝向基材表面加速。由于撞击离子，在整个曝光时间内产生可能包括基材表面的活化、表面材料除去和离子注入的蚀刻效果。
[0011]在根据本专利技术的方法的第二步骤中，将厚度为0.1μm至6μm的第一涂覆层通过PVD过程沉积在基材上。优选将磁控管溅射作为涂覆方法。执行涂覆工序选定的涂覆持续时间，使得第一涂覆层沉积在基材表面上。
[0012]根据本专利技术，第二步骤中的涂覆的施加被作为另一个蚀刻步骤的第三方法步骤中断。在第三方法步骤中，根据本专利技术，通过离子蚀刻过程对先前生产的第一涂覆层的表面进行处理。第三方法步骤的离子蚀刻过程可以优选为与第一方法步骤中相同类型的过程；可以选择所使用的方法参数，特别是蚀刻持续时间和偏压，以使彼此相同或不同。
[0013]通过使用第三方法步骤中的蚀刻过程，层生长被初始中断。可以根据蚀刻步骤的强度除去或多或少的实际量的层材料。此外，由于微观缺陷的引入，蚀刻过程导致表面的成核。
[0014]在根据本专利技术的继第三方法步骤之后的第四方法步骤中，将厚度为0.1μm至6μm的另一个涂覆层通过PVD过程沉积在第一涂覆层上或者沉积在第一涂覆层的通过先前的蚀刻步骤制备的表面上。优选地，在第四方法步骤中，使用与第二方法步骤中相同类型的涂覆方法。在两个步骤中，可以选择单个或所有方法参数以使彼此相同或不同。
[0015]因此，根据本专利技术的方法包括步骤顺序—涂覆、蚀刻、涂覆—其也可以称为“重复
‑
开始”(repeat
‑
start)工序。
[0016]出乎意料地，已经发现，与一次性施加单层涂层而涂层的形成没有被中间蚀刻步骤中断的情况相比，重复
‑
开始工序(即，用离子蚀刻中断涂覆过程，随后继续涂覆)在多层涂层中产生了结构变化。例如，在形成涂层期间产生的微观结构可以至少部分地被中间蚀刻步骤中断，使得在随后的涂覆步骤中没有先前生长的无缝延续，而是形成新的生长核。而在某些情况下，连续涂覆过程可能使涂层形态在生长的方向上变得更粗糙，可以通过中间蚀刻步骤来减少或者甚至完全逆转这种效果。因此，可以实现这样的涂层形态：其中在中间蚀刻步骤之后施加的另外的涂覆层的层结构比先前涂覆层的至少在开始时的表面(即，邻近相对于先前涂覆层的界面区域)处的层结构更精细。
[0017]特别地，可以对所生产的涂层中的残余应力产生影响。涂层中的残余应力可以随着增加涂覆持续时间和厚度而增加。已经表明，在重复
‑
开始工序的范围内中断并重新开始涂覆的情况下，多层涂层中的残余应力未增大至与单层涂层的情况相同的程度。因此，在较长涂覆持续时间和较大涂层厚度的情况下，通过使用重复
‑
开始方法获得了具有总的较低残余应力的涂层。具有较低残余应力的涂层具有更有利的延性特性和更好的对基材的粘合性。
[0018]已经表明，通过一次或多次中断生长，总体上可以生产具有更少数量的缺陷并因此更致密且更少孔的层。一方面，这可以产生更平滑的层表面。另一方面，由于更致密的结构意味着存在更少的例如用于在使用期间不期望地扩散进入的大气氧(其可能导致涂层失效)的扩散路径，因此更致密的层在耐化学性方面具有显著优势。
[0019]如对于本领域技术人员而言将明显的是，可以例如通过用不同的涂覆参数或蚀刻参数将涂覆步骤或蚀刻步骤细分为多个子步骤或者通过涉及其他处理措施例如热处理(退火)或化学处理(例如，氧化、渗碳)等的时间上插入的方法步骤来改进上述第一步骤至第四步骤的顺序。然而，基本模式(即，第一步骤至第四步骤的顺序)总是保持相同。
[0020]虽然重复
‑
开始工序的优势在单个施加之后已经变得明显，但是多次施加可以显
示出特别的优势。例如，继第四方法步骤之后，可以通过离子蚀刻过程对最上面的涂覆层的表面进行处理，随后，可以通过PVD过程在下面的涂覆层上沉积另外的涂覆层。这可以重复一次或多次，从而生产例如至少三个或四个涂覆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于对基材(40)进行涂覆的方法，其中
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在第一方法步骤(62)中，将所述基材在离子蚀刻过程中进行预处理，
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在第二方法步骤(64)中，通过PVD过程在所述基材(40、52)上沉积厚度为0.1μm至6μm的第一涂覆层(56a)，
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在第三方法步骤(66)中，通过离子蚀刻过程对所述第一涂覆层(56a)的表面进行处理，
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在第四方法步骤(68)中，通过PVD过程在所述第一涂覆层(56a)上沉积厚度为0.1μm至6μm的另外的涂覆层(56b)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于
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继所述第四方法步骤(68)之后，一次或多次地
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首先，通过离子蚀刻过程对最上面的涂覆层(56b、56c)的表面进行处理，
‑
随后，通过所述PVD过程在下面的涂覆层(56b、56c)上沉积另外的涂覆层(56c、56d)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于
‑
至少所述第二方法步骤(64)、所述第三方法步骤(66)和所述第四方法步骤(68)在未中断真空的情况下进行。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于
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在所述第一方法步骤、所述第二方法步骤和所述第三方法步骤中的每种情况下，向所述基材施加偏压，
‑
其中与所述第一方法步骤和所述第二方法步骤中相比，所述第二方法步骤中的所述偏压更高。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于
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在彼此之上沉积的涂覆层(56a、56b、56c、56d)的厚度总计为0.5μm至30μm。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于
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在所述离子蚀刻过程期间产生金属离子，并且通过偏压使所述金属离子朝向所述基材表面加速。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于
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所述第二方法步骤(64)、所述第四方法步骤(68)和/或一个或更多个另外的方法步骤中的沉积通过阴极溅射法进行。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于
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所述阴极溅射法为HIPIMS涂覆方法。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于
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在向所述基材施加偏压的同时，进行所述HIPIMS涂覆方法，
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其中以偏压脉冲施加所述偏压，
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以及其中所述偏压脉冲与施加至阴极(24a、24b、24c、24d)的HIPIMS脉冲在时间上同步。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于
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涂覆层(56a、56b、56c、56d)中的一者或更多者至少基本上包含选自包括以下的组的组成：Al
‑
Ti
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【专利技术属性】
技术研发人员：沃纳，
申请(专利权)人：塞梅孔公司，
类型：发明
国别省市：