本发明专利技术公开了一种高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层及其制备方法。所述涂层由多个TiAlN层和AlON层构成，各TiAlN层和AlON层交替沉积在基体上，其总厚度为1.5～2.0μm。其制备方法首先将基体表面抛光处理，经超声波清洗和离子清洗后，再采用反应溅射法在基体上交替溅射TiAlN层和AlON层。本发明专利技术的TiAlN/AlON纳米多层涂层不但具有高于35GPa的硬度和高于350GPa的弹性模量，还具有抗高温氧化性能，可作为高速切削刀具及其它高温条件下服役耐磨工件的保护涂层，其制备方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低、结合强度高等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种高硬度高弹性模量的TiAlN/ AlON纳米多层涂层及其制备方法，主要应用在干式、高速切削加工刀具表面，从而提高刀具的寿命。
技术介绍
随着金属切削技术不断向高速度、高精度方向的发展以及干切削技术的推广，对切削刀具涂层的性能提出了越来越高的要求即要求具备高硬度、高弹性模量、低摩擦系数等优良力学性能和良好的抗高温氧化性能，因而在切削刀具的基体上涂覆性能优良的涂层成为常用的改良切削刀具性能的方法。目前常用的TiN涂层的硬度约为23GPa，其抗氧化温度约为500°C ；TiCN涂层的硬度大于40GPa，但其抗高温氧化温度仅为400°C ；目前应用前景最好的TiAlN涂层是在面心立方的TiN中加入Al后形成的三元固溶体，研究表明，TiAlN涂层具有比TiN涂层更高的硬度以及更好的热稳定性和机械加工性能，硬度一般为32GPa，其抗氧化温度可以达到 800°C以上。对于保护性的硬质涂层而言，当在高温环境下工作时，热稳定性就显得尤为重要。此前，研究人员William D. Sproul曾提出采用两种氧化物制备纳米多层涂层使其兼备高硬度和优异的抗氧化性能的技术路线，但是，按此技术路线制备的&02/Α1203和则 IO3均未获得硬度提高的效果。其中，ZrO2Al2O3由于Al2O3的非晶态阻断了形成超硬效应的共格界面，而&02/Y203则因为二者剪切模量差不够大而未能出现超硬效应。通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，广泛用于二元/ 氧化物或氮化物组合，取得不少有益的成果，如TiN/SiNx等。对现有技术的搜索发现为提高涂层性能，已有的技术，如美国专利US6565957、 US6638571、US5766782 和中国专利 95108982. X 等，采用 TiN 与 0. 1-0. 8nm 厚的 Al2O3 组合而达到提高抗氧化能力的目的，但由于Al2O3的硬度远低于氮化物而导致涂层材料硬度和弹性模量的明显下降，从而限制了该涂层材料的应用。通过查询，检索到如下有关制备纳米多层涂层的中国专利申请号为200510111216. 6涉及一种陶瓷材料
的高硬度&N/A12 (CVxNx) 3纳米多层涂层，其由Al2(CVxNx)3层和层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷的基体上而形成， 具有优良的高温抗氧化性，同时具有高于30GPa的硬度和超过1000°C的抗氧化温度，能够作为高速切削刀具及其它在高温条件下服役耐磨工件的涂层。申请号为 200910055596 和 200910055595 分别涉及一种 VC/Si3N4 和 TiC/Si3N4 纳米多层涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层领域。VC/Si3N4高硬度纳米多层涂层由VC层和Si3N4 层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷基体上形成，具有优良的高温抗氧化性，最高达800°C 的抗氧化温度而且具有高于40GPa的硬度。该专利技术用作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。申请号为200410053490. 8的专利涉及一种TiN/Si02纳米多层涂层，其硬度高达 40GI^且具有优良的抗高温氧化性。该涂层在Ar气氛中直接由TiN和SW2陶瓷靶制得，但因其沉积效率低而限制了在工业生产中的应用。申请号为200610029134. 1的专利涉及一种VN/Si&多层涂层，其在一定程度上达到了高效、高硬度(>30GPa)和优良的抗高温氧化性。该专利所述涂层在Ar+队气氛中直接由V和S^2陶瓷靶制得，因而具有沉积效率高的优点。申请号为200610045989. 3的专利公开了一种在宽温度范围内抗高温腐蚀的CrN/ TiAlN防护涂层及其制备方法，其采用反应共溅方式获得内层为CrN、外层为Al，且含量呈梯度分布的TiAlN层，表层达到Crai8Ala82N。具有很好的抗热腐蚀性能，可提高高温合金在较宽的温度范围内抗氧化和热腐蚀性能。上述现有的涂层均存在着硬度、抗氧化温度以及沉积效率无法兼顾的问题，具有硬度和弹性模量不够高、抗高温氧化性差、生产效率低、能耗大等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种具有高硬度、高弹性模量和优异抗高温氧化性能的TiAlN/AlON纳米多层涂层，其采用三元氮化物和氧化物的组合， 由TiAlN层和AlON层交替沉积在基体上形成纳米量级的多层结构，以达到全面提高硬度、 弹性模量和抗高温氧化性能的效果，可作为高速干式切削的刀具涂层和其他领域的保护涂层。本专利技术的另外一目的是提供了所述TiAlN/AlON纳米多层涂层的制备方法，该制备方法具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优点。本专利技术的技术方案一种高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层，由多个TiAlN层和AlON层构成，靠近基体的一层为TiAlN层，最上层为AlON层，各TiAlN层和AlON层交替沉积在基体上形成纳米量级多层结构。其总厚度优选为1. 5 2. 0 μ m，每一层TiAlN的厚度约为2. 2nm,每一层AlON的厚度为0. 2 1. 5nm ；所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或塑料。本专利技术所述的高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层当AlON层厚度小于 1. Onm时被TiAlN所晶化，为面心立方结构。所述的高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层的制备方法，采用反应溅射法制备所述TiAlN/AlON纳米多层涂层，其方法步骤如下(1)、清洗基体首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用 15 30kHz超声波进行清洗5 IOmin ；然后进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空到5 X KT3Pa后通入Ar气，维持真空度在2_4Pa，用中频对基体进行为时30min的离子轰击， 功率为80-100W ；所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或塑料；(2)、交替溅射TiAlN层和AlON层将基体置入多靶磁控溅射仪并交替停留在TiAl合金靶和Al2O3靶之前，通过溅射获得由多个TiAlN层和AlON层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整靶功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得本专利技术的一种高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层。上述的溅射过程的工艺控制参数为采用 TiAl (50 atom%:50 atom%)合金靶，直径为 75mm ；Ar 气流量10-50sccm, N2 气流量:l-30sccm, TiAlN层溅射功率250W，沉积时间18s ；采用 Al2O3 靶(99. 99%)，直径为 75mm ；Ar 气流量10_50sccm，队气流量l_30sccm，A10N 层溅射功率60-120W，沉积时间3-lOs ；靶基距3-7cm ；总气压范围0. 1-0. 4Pa ；基体温度<200°C。本专利技术的有益技术效果本专利技术所述高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层，由于纳米涂层的超硬效应和AlON层对氧原子扩散的阻碍作用，因此具有高硬度、高弹性模量和优异的抗高温氧化性能，经检测，其硬度高达36GPa、弹性模量达385. 6GPa,并且制备过程具有生产效率高、能耗低、本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种高硬度高弹性模量ＴｉＡｌＮ／ＡｌＯＮ纳米多层涂层，其特征在于：所述纳米涂层由多个ＴｉＡｌＮ层和ＡｌＯＮ层构成，各ＴｉＡｌＮ层和ＡｌＯＮ层交替沉积在基体上；所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或塑料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，王均涛，李伟，马凤仓，刘新宽，陈小红，杨丽红，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31
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