【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及涂层，具体涉及一种抗氧化性、高耐磨性的ti-al-v-c纳米复合涂层及其制备方法。
技术介绍
1、纳米复合涂层由于其具有特殊的物理、化学性能而得到了广泛的关注，与材料表面相关的性能如硬度、耐高温、耐氧化、耐摩擦、耐腐蚀等，都是目前人们研究的热点。两种及两种以上结构不同的相组成的涂层可被称为纳米复合涂层，主要分为三类(1)nc-陶瓷/a-陶瓷复合涂层，如nc-tin/a-si3n4、nc-zrn/a-si3n4、nc-tialn/a-aln等；(2)nc-陶瓷/nc-陶瓷复合涂层，如nc-men/nc-c3n4等；(3)nc-陶瓷/金属复合涂层，如nc-zrn/cu、nc-zrn/ni、nc-zrn/y等。
2、碳化钒(vc)是过渡金属碳化物中重要的功能材料之一，具有一系列优异的性能，如良好的力学性能和低摩擦系数性能，但由于其在高载荷、高速度的摩擦条件下，表现出抗高温氧化性及抗磨粒磨损性能差的劣势，容易产生严重磨损导致过早失效，限制了其在高温工况下的应用，无法满足涂层刀具在高速干式切削方向的应用。本专利技术拟通过引入al元素和ti元素进一步改善vc涂层综合性能。
技术实现思路
1、为进一步提高现有vc涂层的耐磨性和抗高温氧化性，本专利技术的目的在于提供一种具有高抗氧化性与高耐磨性的ti-al-v-c纳米复合涂层的制备工艺，采用电弧离子镀和高功率脉冲复合磁控溅射技术，在vc涂层中掺杂适量al、ti元素，形成ti-al-v-c涂层，制备出兼具高抗氧化性、高耐磨性
2、为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
3、一种高抗氧化性、高耐磨性的ti-al-v-c纳米复合涂层的制备方法，该方法是采用高功率脉冲磁控溅射和电弧离子镀复合镀膜技术在基体上沉积ti-al-v-c纳米复合涂层；沉积该纳米复合涂层时：靶材选取金属alti靶和v靶，本底真空度为6×10-3pa以上，控制偏压为-100～-200v，沉积压强为0.5～0.8pa，alti靶连接高功率脉冲磁控溅射电源，alti靶功率0.4～2.0kw，v靶连接电弧离子镀电源，v靶电流为85-100a。
4、进一步地，沉积ti-al-v-c纳米复合涂层时，通入ar和c2h2，其中：通入ar的流量为120～150sccm，通入c2h2流量为10～30sccm，气体总流量130～180sccm。
5、该方法具体包括如下步骤：
6、(1)将清洗后的基体固定于镀膜室内旋转架上，将真空度抽至6×10-3pa以上；alti靶与高功率脉冲磁控溅射电源连接，v靶与电弧离子镀电源连接；
7、(2)对基体依次进行辉光放电清洗和离子轰击清洗；所述辉光放电清洗的过程为：将炉腔加热至400℃，通入氩气200～250sccm，设置脉冲偏压-800v(占空比70～90％)，对基体进行辉光清洗15～20min；所述离子轰击清洗过程为：辉光放电清洗后，开启v靶，然后设置v靶弧源电流85～100a，弧源电压20～22v，沉积压强0.5pa～0.8pa，保持氩气流量为120～150sccm，在-800v(占空比70～90％)偏压条件下轰击清洗8～10min。
8、(3)沉积v过渡层，以提高工作层与基体的结合强度；沉积v过渡层的过程为：在辉光放电清洗和离子轰击清洗后，设置偏压为-100v～-200v(占空比70％～90％)，开启v靶，设置v靶弧源电流85～100a，弧源电压20～20.3v，通入氩气流量为120～150sccm，调节沉积压强制0.5pa～0.8pa，沉积v过渡层15～20min。
9、(4)沉积ti-al-v-c纳米复合涂层。
10、利用本专利技术方法制备了ti-al-v-c纳米复合涂层，其沉积在纯金属、硬质合金基片、不锈钢片或硅片等基材上，纳米复合涂层与基材之间为v过渡层；纳米复合涂层厚度为1.5-2μm。
11、本专利技术ti-al-v-c纳米复合涂层中，c元素含量为10.02-12.40at.％，v元素含量为73.73-83.52at.％，ti元素含量为4.89-10.99at.％，al元素含量为1.56-3.36at.％。
12、所述ti-al-v-c纳米复合涂层为包含vc相、alcv2相以及v4c3相的纳米复合结构，vc相沿(111)晶面择优生长，alcv2晶相沿(200)晶面择优生长，v4c3相晶相沿(220)晶面择优生长。
13、所述ti-al-v-c纳米复合涂层的硬度高于25gpa，涂层的弹性模量稳定在260～310gpa，涂层的h/e最高可达0.083。
14、本专利技术的设计机理如下：
15、本专利技术采用脉冲直流和高功率脉冲复合磁控溅射技术在硬质合金片、sus304不锈钢或单晶si片等基材上沉积ti-al-v-c纳米复合涂层。
16、vc涂层虽然具有良好的力学性能和低摩擦系数性能，但其抗高温氧化性能差和耐磨性差限制了其在高速切削难加工工件的应用。在保证对涂层机械性能影响不大的前提下，向vc涂层中掺杂适量的抗氧化元素al和ti是改善其摩擦抗高温氧化性能有效的途径。al2o3薄膜能有效阻止涂层内部被进一步氧化，具有良好的热屏障和化学屏障作用。制备的ti-al-v-c纳米复合涂层中存在大量界面，其各方面性能明显不同于二元涂层，所制备的多元复合涂层能够提升刀具韧性及抗高温氧化性能。
17、涂层中铝元素在高温环境下极易与o结合生成高硬度高致密性的al2o3薄膜，具有良好的红硬性和热屏障功能，其中al含量占比越高的涂层表面形成al2o3薄膜越致密，涂层的抗氧化性能和摩擦学性能越好。在高温环境下vc涂层易与外界氧反应，摩擦过程中形成的低熔点的v2o5(660℃)导致涂层性能下降，al元素的引入形成al2o3薄膜能有效地阻碍氧元素向涂层内扩散，使ti-al-v-c涂层的热稳定性提高。
18、本专利技术在vc涂层中同时引入适量al与ti元素，随着温度的升高，在400℃时石墨碳的润滑效果开始降低，500℃时适量ti会迅速生成疏松多孔的tio2提供一定润滑效果，al与o2反应生成al2o3保护膜的速度低于tio2的生成速度，实现在温度升高时既生成具有润滑作用的tio2又可以生成具有抗氧化作用的al2o3保护膜；在温度高于500℃摩擦时vc与o2反应生成具有润滑作用的vo2和v2o5。
19、本专利技术的优点及有益效果如下：
20、1、本专利技术制备的ti-al-v-c纳米复合涂层具有高的抗磨能力，具有明显的耐磨效果。
21、2、本专利技术ti-al-v-c纳米复合涂层是保持vc涂层原有高抗氧化性、高强度、高韧性特性，充分发挥v、al、ti三者的协同效果，并实现自润滑的多元复合涂层，具有高抗氧化性、高耐磨性、抗高热稳定性好等优点。
22、3、本专利技术ti-al-v-c纳米复合涂层应用前景广泛，适用于高速干切削各种难加工材料，大幅度提高切削本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：该方法是采用高功率脉冲磁控溅射和电弧离子镀复合镀膜技术在基体上沉积Ti-Al-V-C纳米复合涂层；沉积该纳米复合涂层时：靶材选取金属AlTi靶和V靶，本底真空度为6×10-3Pa以上，基体偏压为-100～-200V，沉积压强为0.5～0.8Pa，AlTi靶连接高功率脉冲磁控溅射电源，AlTi靶溅射功率0.4～2.0kW，V靶连接电弧离子镀电源，V靶电流为85～100A。
2.根据权利要求1所述的高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：沉积Ti-Al-V-C纳米复合涂层时，通入Ar和C2H2，其中：通入Ar的流量为120～150sccm，通入C2H2流量为10～30sccm，气体总流量130～180sccm。
3.根据权利要求1或2所述的高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层的制备方法，其特
5.根据权利要求3所述的高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述离子轰击清洗过程为：辉光放电清洗后，开启V靶，然后设置V靶弧源电流85-100A，弧源电压20～22V，沉积压强0.5Pa～0.8Pa，保持氩气流量为120～150sccm，在-800V(占空比70～90％)偏压条件下轰击清洗8～15min。
6.根据权利要求3所述的高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，沉积V过渡层的过程为：在辉光放电清洗和离子轰击清洗后，设置偏压为-100V～-200V(占空比70％～90％)，开启V靶，设置V靶弧源电流85-100A，弧源电压20～22V，通入氩气流量为150～160sccm，调节沉积压强制0.5Pa～0.8Pa，沉积V过渡层15～20min。
7.一种利用权利要求3-6任一所述方法制备的高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层，其特征在于：所述Ti-Al-V-C纳米复合涂层沉积在纯金属、硬质合金基片、不锈钢片或硅片基材上，纳米复合涂层与基材之间为V过渡层；纳米复合涂层厚度为1.5-5.0μm。
8.根据权利要求7所述的高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层，其特征在于：该Ti-Al-V-C纳米复合涂层中，C元素含量为10.02-12.40at.％，V元素含量为73.73-83.52at.％，Ti元素含量为4.89-10.99at.％，Al元素含量为1.56-3.36at.％。
9.根据权利要求7所述的高抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层，其特征在于：所述Ti-Al-V-C纳米复合涂层为包含VC相、AlCV2相以及V4C3相的纳米复合结构，VC相沿(111)晶面择优生长，AlCV2晶相沿(200)晶面择优生长，V4C3相晶相沿(220)晶面择优生长。
10.根据权利要求7所述的抗氧化性、高耐磨性的Ti-Al-V-C纳米复合涂层，其特征在于：所述Ti-Al-V-C纳米复合涂层的硬度高于25GPa，涂层的弹性模量稳定在260～310GPa，涂层的H/E最高可达0.083。
...【技术特征摘要】
1.一种高抗氧化性、高耐磨性的ti-al-v-c纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：该方法是采用高功率脉冲磁控溅射和电弧离子镀复合镀膜技术在基体上沉积ti-al-v-c纳米复合涂层；沉积该纳米复合涂层时：靶材选取金属alti靶和v靶，本底真空度为6×10-3pa以上，基体偏压为-100～-200v，沉积压强为0.5～0.8pa，alti靶连接高功率脉冲磁控溅射电源，alti靶溅射功率0.4～2.0kw，v靶连接电弧离子镀电源，v靶电流为85～100a。
2.根据权利要求1所述的高抗氧化性、高耐磨性的ti-al-v-c纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：沉积ti-al-v-c纳米复合涂层时，通入ar和c2h2，其中：通入ar的流量为120～150sccm，通入c2h2流量为10～30sccm，气体总流量130～180sccm。
3.根据权利要求1或2所述的高抗氧化性、高耐磨性的ti-al-v-c纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的高抗氧化性、高耐磨性的ti-al-v-c纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述辉光放电清洗的过程为：将炉腔加热至400℃，通入氩气200～250sccm，设置脉冲偏压-800v(占空比70～90％)，对基体进行辉光清洗15～20min。
5.根据权利要求3所述的高抗氧化性、高耐磨性的ti-al-v-c纳米复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述离子轰击清洗过程为：辉光放电清洗后，开启v靶，然后设置v靶弧源电流85-100a，弧源电压20～22v，沉积压强0.5pa～0.8pa，保持氩气流量为120～150sccm，在-800v(占空比70～90％)偏压条件下轰击清洗8～15mi...
【专利技术属性】
技术研发人员：王铁钢，王重阳，张冬青，刘艳梅，阎兵，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：
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