提高硬质涂层疲劳寿命的多层硬质涂层结构及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种提高金属构件疲劳寿命的多层硬质涂层结构及其制备方法。所述涂层结构包括纳米多层硬质涂层和至少一层单层硬质涂层，所述纳米多层硬质涂层和所述至少一层单层硬质涂层叠置于金属构件表面。本发明专利技术的多层硬质涂层结构引入了较多硬质涂层界面，可在低应力水平下有效偏转由金属构件扩展来的疲劳微裂纹和高应力水平下有效抑制硬质涂层内部微裂纹的萌生和扩展，进而显著提高了金属构件的疲劳寿命，推动了硬质涂层在交变载荷服役环境下的应用。下的应用。下的应用。

【技术实现步骤摘要】
提高硬质涂层疲劳寿命的多层硬质涂层结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及硬质涂层技术，具体涉及提高硬质涂层疲劳寿命的多层涂层结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着机械关键部件新材料的不断出现和其在苛刻服役环境下耐受性需求的提升，硬质涂层因较高的硬度和稳定的物化性质，被认为是改善机械主要零部件抗摩擦、耐腐蚀及抗高温氧化等性能最方便和最高效的表面强化措施。然而，硬质涂层晶格、显微结构、弹性模量等物理性能与软质零部件基体之间存在不匹配的现象，从而造成零部件的疲劳强度恶化和服役可靠性降低。
[0003]针对该问题，传统方法是在硬质涂层制备工艺和装置方面进行相应的改进研究，如基体偏压由直流改为脉冲，产生的致密柱状晶可有效延缓裂纹扩展速度，改善硬质涂层疲劳寿命；又如，阴极电弧离子镀中引入磁过滤装置，进而减少硬质涂层大颗粒数量，减少硬质涂层表面应力集中点，达到改善硬质涂层疲劳寿命的目的。但鉴于涂层制备技术本征缺陷的限制，传统方法很难实现硬质涂层疲劳寿命显著的改善。
[0004]近年来，人们在硬质涂层结构设计方面做了一些研究改进工作。如在硬质涂层中引入适当厚度的软质涂层或者调控硬质涂层与软质涂层的厚度比值，改善硬质涂层韧性，松弛硬度涂层裂纹尖端的集中应力，抑制快速裂纹的传播扩展，达到进一步提升硬质涂层疲劳寿命的目的。
[0005]尽管软硬交替多层涂层体系通过软质涂层的引入改善了其韧性，提高了其疲劳寿命，但是容易导致涂层体系强度有所下降，造成硬质涂层抵抗外界变形的能力减弱。

技术实现思路
<br/>[0006]本专利技术之目的在于提供一种提高硬质涂层疲劳寿命的多层硬质涂层结构及其制备方法，以提高硬质涂层的疲劳寿命，服务于机械零部件实际工况应用。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种提高金属构件疲劳寿命的多层硬质涂层结构，所述涂层结构包括纳米多层硬质涂层和至少一层单层硬质涂层，所述纳米多层硬质涂层和所述至少一层单层硬质涂层叠置于金属构件表面。
[0008]作为优选方式，纳米多层硬质涂层中相邻硬质涂层由不同元素组成或由种类相同而含量不同的元素组成。
[0009]作为优选方式，纳米多层硬质涂层包括碳化物、硼化物、氮化物、氧化物、碳氮化物中的一种或者多种；单层硬质涂层包括碳化物、硼化物、氮化物、氧化物、碳氮化物中的一种或者两种；纳米多层硬质涂层中每一层的厚度0～1000nm，尤其不小于2nm。
[0010]作为优选方式，在所述金属构件的基体表面依次从内到外叠置一层单层氮化物硬质涂层、种类相同而含量不同的两层氮化物纳米硬质涂层、成分同前述两层氮化物纳米硬质涂层一样而厚度不同的两层氮化物纳米硬质涂层、以及一层单层碳氮化物硬质涂层。
[0011]作为优选方式，所述多层硬质涂层结构还包括与金属构件相连的过渡涂层，过渡涂层可以为纯金属单质、或者为碳化物、硼化物、氮化物、氧化物、碳氮化物中的一种或者多种。
[0012]另一方面，本专利技术还提供一种提高金属构件疲劳寿命的多层涂层制备方法，包括如下步骤：(1)对基体进行预处理，得到洁净的基体表面；(2)根据多层涂层元素构成，选择靶材和气源，采用阴极电弧方法，调整样品转架的转动轴数、靶材电流和基体偏压，在样品基体表面制备叠置的多层硬质涂层结构，即纳米多层硬质涂层和至少一层单层硬质涂层。
[0013]作为优选方式，相对于所述金属构件的表面所述多层涂层从内到外依次包括一层氮化物硬质涂层、四层纳米硬质涂层、以及一层碳氮化物硬质涂层；在所述步骤(2)中，在基体置于转架之后，启动转动轴数，转动轴数为1～3，之后关闭真空腔体，待达到所需真空度后，开启加热管使得真空温度优选升至430℃～450℃；利用氩离子辉光清洗去除基体表面氧化膜，工艺参数：温度430℃～450℃，氩气工作气压1Pa～1.5Pa，偏压1000V，清洗时间30min～60min；利用金属离子刻蚀粗化基体表面，工艺参数：温度430℃～450℃，基体偏压
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500V～
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600V，刻蚀时间2min～3min；以氮化物硬质涂层中的元素种类为依据，选择靶材，以氮气为工作气体，直流电源为弧源，工艺条件包括：温度430℃～450℃，靶材弧流160A～170A，工作气压1Pa～1.5Pa，偏压
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80V～
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120V；以四层纳米硬质涂层结构中的元素种类为依据，选择靶材，以氮气为工作气体，直流电源为弧源，在氮化物硬质涂层上制备，工艺条件包括：温度430℃～450℃，弧流80A～140A；从内到外第一层和第二层纳米硬质涂层的厚度均为50nm～70nm，而第三层和第四层纳米硬质涂层的厚度依次分别为500nm～550nm和250nm～300nm；以碳氮化物硬质涂层中的元素种类为依据选择靶材，以氮气和乙炔为工作气体、直流电源为弧源，在四层纳米硬质涂层上沉积，工艺条件包括：温度430℃～450℃，靶弧流150A～160A，工作气压0.5Pa～1Pa，氮气和乙炔分压比为0.07～0.2，偏压
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100V～
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140V。
[0014]作为优选方式，所述金属构件是TC6叶片，并且所述步骤(1)中的基体预处理包括：打磨和抛光：对TC6叶片基体依次进行400目、800目、1200目、1500目、2500目SiC砂纸打磨，之后借助粒径1.5μm金刚石研磨膏表面抛光；酸洗和碱洗：接着先后应用酸性和碱性清洗剂去除叶片表面油除和氧化物，而不改变基体表面酸碱性；乙醇超声清洗；抽真空；氩离子辉光清洗；金属Ti离子刻蚀；并且所述步骤(2)包括：沉积TiN层；沉积四层(Ti,Al)N纳米结构：以金属Ti靶材和Ti3Al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，在TiN层上沉积(Ti,Al)N第一纳米子层；然后调换两靶材的弧流，沉积(Ti,Al)N第二纳米子层，从而构成(Ti,Al)N纳米结构多层中最小周期，重复，最终形成(Ti,Al)N纳米结构多层；沉积TiCN层，以金属Ti为靶材，在(Ti,Al)N纳米结构多层上沉积。
[0015]作为优选方式，所述步骤(1)中的基体预处理包括：打磨和抛光：对TC6叶片基体依次进行400目、800目、1200目、1500目、2500目SiC砂纸打磨，之后借助粒径1.5μm金刚石研磨膏表面抛光；酸洗和碱洗：接着先后应用酸性和碱性清洗剂去除叶片表面油除和氧化物，而不改变基体表面酸碱性；乙醇超声清洗；抽真空：将TC6叶片置于转架之上，开动转动轴数并调至转动轴数1－3，关闭真空腔体，待真空度达到1
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10
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3Pa，开启加热管至450℃；氩离子辉光清洗：温度450℃，氩气工作气压1Pa，偏压1000V，清洗时间40min；金属Ti离子刻蚀：温度450℃，氮气气压1Pa，基体偏压
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500V，刻蚀时间2min。
[0016]作为优选方式，所述步骤(2)包括：沉积TiN层：以金属Ti作为靶材，氮气为工作气体，温度450℃，弧流150A，工作气压1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高金属构件疲劳寿命的多层硬质涂层结构，其特征在于，所述涂层结构包括纳米多层硬质涂层和至少一层单层硬质涂层，所述纳米多层硬质涂层和所述至少一层单层硬质涂层叠置于金属构件表面。2.根据权利要求1所述的多层硬质涂层结构，其特征在于，纳米多层硬质涂层中相邻硬质涂层由不同元素组成或由种类相同而含量不同的元素组成。3.根据权利要求1所述的多层硬质涂层结构，其特征在于，纳米多层硬质涂层包括碳化物、硼化物、氮化物、氧化物、碳氮化物中的一种或者多种；单层硬质涂层包括碳化物、硼化物、氮化物、氧化物、碳氮化物中的一种或者两种；纳米多层硬质涂层中每一层的厚度0～1000nm，尤其不小于2nm。4.根据权利要求1所述的多层硬质涂层结构，其特征在于，在所述金属构件的基体表面依次从内到外叠置一层单层氮化物硬质涂层、种类相同而含量不同的两层氮化物纳米硬质涂层、成分同前述两层氮化物纳米硬质涂层一样而厚度不同的两层氮化物纳米硬质涂层、以及一层单层碳氮化物硬质涂层。5.根据权利要求1－4中任一项所述的多层硬质涂层结构，其特征在于，所述多层硬质涂层结构还包括与金属构件相连的过渡涂层，过渡涂层可以为纯金属单质、或者为碳化物、硼化物、氮化物、氧化物、碳氮化物中的一种或者多种。6.一种提高金属构件疲劳寿命的多层涂层制备方法，包括如下步骤：(1)对基体进行预处理，得到洁净的基体表面；(2)根据多层涂层元素构成，选择靶材和气源，采用阴极电弧方法，调整样品转架的转动轴数、靶材电流和基体偏压，在样品基体表面制备叠置的多层硬质涂层结构，即纳米多层硬质涂层和至少一层单层硬质涂层。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，相对于所述金属构件的表面所述多层涂层从内到外依次包括一层氮化物硬质涂层、四层纳米硬质涂层、以及一层碳氮化物硬质涂层；在所述步骤(2)中，在基体置于转架之后，启动转动轴数，转动轴数为1～3，之后关闭真空腔体，待达到所需真空度后，开启加热管使得真空温度优选升至430℃～450℃；利用氩离子辉光清洗去除基体表面氧化膜，工艺参数：温度430℃～450℃，氩气工作气压1Pa～1.5Pa，偏压1000V，清洗时间30min～60min；利用金属离子刻蚀粗化基体表面，工艺参数：温度430℃～450℃，基体偏压
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500V～
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600V，刻蚀时间2min～3min；以氮化物硬质涂层中的元素种类为依据，选择靶材，以氮气为工作气体，直流电源为弧源，工艺条件包括：温度430℃～450℃，靶材弧流160A～170A，工作气压1Pa～1.5Pa，偏压
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80V～
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120V；以四层纳米硬质涂层结构中的元素种类为依据，选择靶材，以氮气为工作气体，直流电源为弧源，在氮化物硬质涂层上制备，工艺条件包括：温度430℃～450℃，弧流80A～140A；从内到外第一层和第二层纳米硬质涂层的厚度均为50nm～70nm，而第三层和第四层纳米硬质涂层的厚度依次分别为500nm～550nm和250nm～300nm；以碳氮化物硬质涂层中的元素种类为依据选择靶材，以氮气和乙炔为工作气体、直流电源为弧源，在四层纳米硬质涂层上沉积，工艺条件包括：温度430℃～450℃，靶弧流150A
～160A，工作气压0.5Pa～1Pa，氮气和乙炔分压比为0.07～0.2，偏压
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100V～
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【专利技术属性】
技术研发人员：李刘合，李花，张然，徐晔，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：