一种复合防护涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合防护涂层，包括由上到下依次设置的AlCrYN层、CrAlNx层和CrN层，AlCrYN层中，各元素的原子百分比含量如下：N：30

【技术实现步骤摘要】
一种复合防护涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于表面处理
，具体涉及一种复合防护涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]铝及铝合金部件因其低密度、良好的机械性能、优异的抗疲劳和耐蚀性以及良好的导电性，广泛应用于航空航天、汽车、食品、电子制造领域。
[0003]高温铝液具有很强的腐蚀性，在铝制造过程中，模具、坩埚等与铝液直接接触的材料在工作中会受到铝液的腐蚀、熔损、黏连、磨损。这些材料的损伤将造成铝液污染、生产成本提高、产品性能下降、生产效率降低等问题。
[0004]目前，通过表面强化技术可以提升基体表面性能，从而提高基体服役性能。表面强化技术中，PVD技术因其绿色环保，使基体形变较少的原因，使其应用十分广泛。通过电弧离子镀制备的AlCrN涂层是一类三元硬质合金涂层，具有高硬度、结合性能强的优点，并且在高温下在表面易形成耐高温腐蚀的Al2O3相，从而减缓O元素的向内扩散。但AlCrN涂层内应力较大，耐磨性能差，摩擦系数较高，且容易在高温下与铝液黏附，限制了其应用。
[0005]Y是一种化学性质及其活泼的稀土元素，T.C.Rojas 等人通过设置不同Y靶功率成功制备出不同Al、Y含量的AlCrYN涂层，发现由于反应元素效应，Y能抑制基体中的Fe以及涂层中的Cr向上扩散，使得涂层在高温下更易生成更为致密且更为抗氧化的Al2O3层，并非较为疏松的(Al,Cr)2O3层。
[0006]目前，有关AlCrYN涂层的报道更多聚焦于其高温抗氧化性，但对于其力学防护以及表面浸润性的改善关注较少，且制备方法均为调控靶功率调控涂层含量，此方法制备繁琐，镀膜周期长，经济效益低。并且，单层AlCrYN涂层结合性能较差，容易与基体发生分离或剥落，从而使得涂层发生失效。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种复合防护涂层，涂层内部晶粒细小，晶体缺陷少，具有优异的摩擦系数，具有优异的疏水性能，减少与铝液黏附。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种复合防护涂层，包括由上到下依次设置的AlCrYN层、CrAlNx层和CrN层，所述AlCrYN层中，各元素的原子百分比含量如下：N：30
‑
50%，Al：25
‑
40%，Cr：20
‑
30%，Y：0.2
‑
7%，所述AlCrYN层为面向立方结构，具有（200）择优取向，织构系数TC为0.5
‑
0.7，晶粒尺寸为20
‑
180nm，在AlCrN晶格中形成有Y固溶。
[0009]本专利技术提供的复合防护涂层具有三层结构，其中，CrN过渡层负责实现强结合、高韧性功能，CrAlNx梯度硬质支撑层实现高硬度、抗冲击功能，AlCrYN涂层实现耐磨润滑、疏水抗铝液黏附功能。根据霍尔佩奇效应，晶粒越小，涂层的硬度越高，通过Y元素的固溶，使得AlCrYN层的晶粒尺寸变小，从而提升涂层硬度。同时，Y元素的固溶使得AlCrYN层在摩擦过程中生成Cr2O3相以及Al2O3非晶包裹纳米晶结构，Cr2O3相具有润滑作用，Al2O3非晶包裹纳米晶结构可以防止摩擦过程中的闪温摩擦对涂层进行氧化，从而破坏涂层。
[0010]作为优选，所述CrN层与所述CrAlNx层的厚度比为1:（2
‑
5），所述CrAlNx层与所述AlCrYN层的厚度比为（1
‑
2）:1。本专利技术中三层涂层厚度比对于材料的结合性、摩擦性能、润湿性具有及其重要影响。通过调控三层厚度比例，可实现涂层表面能的有效控制，从而使其疏水性能得到有效提升。其中，CrN层与CrAlNx层厚度比影响着涂层的结合性能，CrN层作为过渡层，可以有效与模具钢中Fe、Cr元素相亲和，而CrAlN层作为硬质支撑层，可以提高涂层硬度，防止涂层剥落，通过调控两层厚度比，可以实现涂层结合性、硬度、韧性同步提升。而CrAlNx层与AlCrYN层的厚度比影响着涂层的摩擦性能与润湿性，CrAlNx层作为硬质支撑层，硬度的提高可以有效提高涂层的摩擦性能，而AlCrYN层在摩擦过程中可以生成具有润滑作用的Cr2O3相，也能提高涂层的摩擦性能，但AlCrYN层相较于CrAlNx层层比不宜占比过高，否则导致涂层整体硬度下降，从而影响摩擦性能。表面自由能是影响固体表面润湿性的关键因素，而表面自由能又受到成分、择优取向以及微观结构的影响，通过调控CrAlNx层与AlCrYN层的厚度比，使得CrAlNx层并没有完全生成立方结构，而是生成立方和四方相混合结构，从而导致AlCrYN层的择优取向由（111）转变为（200），影响到了涂层润湿性的变化。
[0011]作为优选，所述CrAlNx层为立方和四方相混合结构，且N元素在所述CrAlNx层中的质量百分含量为10
‑
35%。较低的N元素含量使得CrAlNx层中Cr、Al与N的结合并不充分，不能完全生成面心立方结构，其中，有部分四方相的生成。
[0012]作为优选，所述复合防护涂层的厚度为0.8
‑
10μm，所述复合防护涂层的摩擦系数为0.25
‑
0.35，所述复合防护涂层与水的接触角为110
‑
125
°
，在上述厚度的选择范围内，不仅能保证得到的复合涂层具有基本耐磨
‑
疏水性能，且经济效益最大，有利于工业生产和应用。
[0013]本专利技术的另一个目的在于提供一种复合防护涂层的制备方法，具体包括如下步骤：S1、在真空气氛下，将基体置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀基体表面；S2、在真空气氛下，利用阴极电弧镀膜装置，以Cr单质靶作为电弧靶，N2作为反应气体提供N元素，在基体表面沉积CrN过渡层；S3、在真空气氛下，利用阴极电弧镀膜装置，以CrAl复合靶作为电弧靶，N2作为反应气体提供N元素，在步骤S2得到的CrN层表面沉积CrAlNx层；S4、在真空气氛下，利用阴极电弧镀膜装置，以CrAl复合靶、CrY复合靶作为电弧靶，N2作为反应气体提供N元素，在步骤S3得到的CrAlNx层表面沉积AlCrYN层得到复合防护涂层。
[0014]作为优选，所述步骤S1中，刻蚀的条件如下：工作气氛为氩气，流量为30
‑
50sccm，溅射时真空度为2.0
×
10
‑5‑
4.0
×
10
‑5Torr，基体预热至100
‑
350℃，沉积偏压为
‑
50V至
‑
150V，线性阳极离子源电流为0.2
‑
0.3A，基体溅射清洗时间为30
‑
90min。本专利技术在沉积CrN层之前对基体进行刻蚀处理，可有效去除基体表面的疏松层和氧化皮，相当于原子级别的微喷丸，活化基体表面，提高膜基结合强度，也为后续镀膜起到了高效预离化作用。
[0015]作为优选，所述步骤S2中，沉积CrN过渡层的条件如下：工作气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合防护涂层，其特征在于，包括由上到下依次设置的AlCrYN层、CrAlNx层和CrN层，所述AlCrYN层中，各元素的原子百分比含量如下：N：30
‑
50%，Al：25
‑
40%，Cr：20
‑
30%，Y：0.2
‑
7%，所述AlCrYN层为面向立方结构，具有（200）择优取向，织构系数TC为0.5
‑
0.7，晶粒尺寸为20
‑
180nm，在AlCrN晶格中形成有Y固溶。2.如权利要求1所述的复合防护涂层，其特征在于，所述CrN层与所述CrAlNx层的厚度比为1:（2
‑
5），所述CrAlNx层与所述AlCrYN层的厚度比为（1
‑
2）:1。3.如权利要求1所述的复合防护涂层，其特征在于，所述CrAlNx层为立方和四方相混合结构，且N元素在所述CrAlNx层中的质量百分含量为10
‑
35%。4.如权利要求1所述的复合防护涂层，其特征在于，所述复合防护涂层的厚度为0.8
‑
10μm，所述复合防护涂层的摩擦系数为0.25
‑
0.35，所述复合防护涂层与水的接触角为110
‑
125
°
。5.一种如权利要求1
‑
4任一所述的复合防护涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：S1、在真空气氛下，将基体置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀基体表面；S2、在真空气氛下，利用阴极电弧镀膜装置，以Cr单质靶作为电弧靶，N2作为反应气体提供N元素，在基体表面沉积CrN过渡层；S3、在真空气氛下，利用阴极电弧镀膜装置，以CrAl复合靶作为电弧靶，N2作为反应气体提供N元素，在步骤S2得到的CrN层表面沉积CrAlNx层；S4、在真空气氛下，利用阴极电弧镀膜装置，以CrAl复合靶、CrY复合靶作为电弧靶，N2作为反应气体提供N元素，在步骤S3得到的CrAlNx层表面沉积AlCrYN层得到复合防护涂层。6.如权利要求5所述的复合防护涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，刻蚀的条件如下：工作气氛为氩气，流量为30
‑
50sccm，溅射时真空度为2.0
×
10
‑5‑
4.0
×
10
‑5To...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振玉，王振东，汪爱英，周晟昊，王丽，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：