一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N制造技术

本发明专利技术涉及一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层及其制备方法，属于防护涂层


技术介绍

[0002]过渡族金属氮化物具有高硬度、优异的耐磨性、较高的化学惰性等特点，作为耐磨涂层已获得广泛的应用，包括各种高速钢、硬质合金刀具及飞机发动机叶片用于抗冲蚀等。但过渡族金属氮化物涂层脆性较大，限制了其应用的可靠性和应用范围。
[0003]采用多组元合金化改性技术可以显著提高过渡族金属氮化物涂层的硬度、耐磨性能、热稳定性、高温抗氧化性能等。例如，在授权公告号CN108977775B的中国专利中，采用阴极电弧离子镀技术在YG8硬质合金上制备了TiAlSiN硬质涂层。在授权公告号CN110484870B的中国专利中，采用阴极电弧离子镀技术在WC
‑
8wt.％Co
‑
4wt.％TiC硬质合金表面制备了(TiAlCrTaW)N硬质涂层。然而，已有技术对金属氮化物的韧性都没有明显的提升。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层及其制备方法，该涂层兼具高韧性、高硬度、优良的抗裂纹扩展能力及抗高温氧化性能等特点，可以大幅提高硬质涂层应用的可靠性和使用寿命。采用本专利技术设计的涂层制备工艺可获得Ni含量较高的Ti(Al，Ni)N单相硬质涂层，该涂层制备工艺简单、绿色环保。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层中，各元素原子比例关系为：Al/(Ti+Al+Ni)＝0.1～0.5，Ni/(Ti+Al+Ni)＝0.05～0.4，X＝N/(N+Ti+Al+Ni)＝0.3～0.5。
[0007]所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层厚度在2～30μm范围内，硬度1450Hv以上。
[0008]所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层为单相硬质涂层，Ni元素固溶在氮化物晶格中。
[0009]所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层的制备方法，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层采用多弧离子镀技术，通过双靶或多靶共沉积技术制备。
[0010]所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层的制备方法，具体步骤如下：
[0011]步骤1、对合金基体进行研磨和抛光，控制其表面粗糙度Ra在0.2μm以下；
[0012]步骤2、将合金基体浸在无水乙醇和丙酮的混合溶剂中进行10～15min超声清洗，去除油渍，烘干待用；
[0013]步骤3、将1个Ti
‑
Al合金靶材或1个Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材，与1个Ti
‑
Ni合金靶材安装
于多弧离子镀设备中，两个合金靶材的靶心连线与底座垂直，Ti
‑
Al合金靶材或Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材位于上端，Ti
‑
Ni合金靶材位于下端，两个合金靶材的靶心间距在25～30cm范围内；
[0014]步骤4、转架安装于正对Ti
‑
Al合金靶材或Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材、Ti
‑
Ni合金靶材靶心连线的位置，距离靶心连线15～20cm，将合金基体悬挂于转架上Ti
‑
Al合金靶材或Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材、Ti
‑
Ni合金靶材靶心之间的位置，具体的挂样位置由目标涂层中所需Ni含量决定；
[0015]步骤5、将直径为12～14cm的不锈钢挡板固定在转架上，不锈钢挡板需平行于多弧离子镀设备的腔室底座；挡板固定位置由合金基体的挂样位置决定，位于合金基体下端1～1.5cm处；
[0016]步骤6、关闭多弧离子镀设备的腔室门，待腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0
×
10
‑3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在3.0～4.0Pa之间，开启偏压电源，设置脉冲偏压为
‑
800～
‑
1000V，占空比为30～40％，使用氩气离子清洗合金基体5～10分钟，关闭偏压电源；
[0017]步骤7、保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比在5:1～15:1范围内，维持腔室内气压至1.5～3.0Pa，开启偏压电源，开启Ti
‑
Al合金靶材或Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材弧电源；使用高能粒子束轰击合金基体3～5min，去除合金基体表面污物与氧化皮，具体工艺参数为：弧电流70～80A，电压18～20V，设置脉冲偏压
‑
900～
‑
1000V，占空比5～10％；
[0018]步骤8、调节脉冲偏压至
‑
100V～
‑
400V，占空比10～20％，开启Ti
‑
Ni合金靶材弧电源，沉积TiAl(Ni)N
X
涂层，具体工艺参数为：Ti
‑
Al合金靶材或Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材弧电流65～80A，电压18～20V；Ti
‑
Ni合金靶材弧电流80～120A，电压18～20V，通过改变沉积时间控制涂层厚度；涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转；
[0019]步骤9、保持腔室抽真空至气压≤7.0
×
10
‑3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出合金基体，完成TiAl(Ni)N
X
硬质涂层制备。
[0020]所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层的制备方法，步骤1中，合金基体包括硬质合金材料、钛合金材料、钛铝合金材料或不锈钢合金材料。
[0021]所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层的制备方法，步骤3中，Ti
‑
Al合金靶材的成分为：Al含量在30at.％～50at.％，其余为Ti，合金纯度≥99.9wt.％。
[0022]所述的高韧性过渡族金属氮化物T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层，其特征在于，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层中，各元素原子比例关系为：Al/(Ti+Al+Ni)＝0.1～0.5，Ni/(Ti+Al+Ni)＝0.05～0.4，X＝N/(N+Ti+Al+Ni)＝0.3～0.5。2.如权利要求1所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层，其特征在于，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层厚度在2～30μm范围内，硬度1450Hv以上。3.如权利要求1所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层，其特征在于，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层为单相硬质涂层，Ni元素固溶在氮化物晶格中。4.一种权利要求1至3之一所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层的制备方法，其特征在于，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层采用多弧离子镀技术，通过双靶或多靶共沉积技术制备。5.如权利要求4所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)N
X
硬质涂层，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、对合金基体进行研磨和抛光，控制其表面粗糙度Ra在0.2μm以下；步骤2、将合金基体浸在无水乙醇和丙酮的混合溶剂中进行10～15min超声清洗，去除油渍，烘干待用；步骤3、将1个Ti
‑
Al合金靶材或1个Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材，与1个Ti
‑
Ni合金靶材安装于多弧离子镀设备中，两个合金靶材的靶心连线与底座垂直，Ti
‑
Al合金靶材或Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材位于上端，Ti
‑
Ni合金靶材位于下端，两个合金靶材的靶心间距在25～30cm范围内；步骤4、转架安装于正对Ti
‑
Al合金靶材或Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材、Ti
‑
Ni合金靶材靶心连线的位置，距离靶心连线15～20cm，将合金基体悬挂于转架上Ti
‑
Al合金靶材或Ti
‑
Al
‑
Ni合金靶材、Ti
‑
Ni合金靶材靶心之间的位置，具体的挂样位置由目标涂层中所需Ni含量决定；步骤5、将直径为12～14cm的不锈钢挡板固定在转架上，不锈钢挡板需平行于多弧离子镀设备的腔室底座；挡板固定位置由合金基体的挂样位置决定，位于合金基体下端1～1.5cm处；步骤6、关闭多弧离子镀设备的腔室门，待腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0
×
10
‑3Pa后，开...

【专利技术属性】
技术研发人员：马天宇，辛丽，王福会，常皓，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：