用于基底表面处理的纳米复合涂层及其制备方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于基底表面处理的纳米复合涂层，所述用于基底表面处理的纳米复合涂层包括附着在基底表面上的Ti过渡层和纳米复合涂层，所述纳米复合涂层由TiN涂层、TiAlN涂层、CrTiAlN涂层交替排列组成，所述Ti过渡层设置在里层，纳米复合涂层设置在表层。其制备装置是在现有磁控溅射设备基础上改进的，其制备方法采用磁控溅射法完成，该一种用于基底表面处理的纳米复合涂层和现有技术相比，硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小和导热率低，适用范围广泛。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于基底表面处理的纳米复合涂层
，具体地说是ー种用于基底表面处理的纳米复合涂层及其制备方法和装置。
技术介绍
用于基底表面处理的纳米多层涂层是指由特征维度尺寸为纳米数量级(I IOOnm)的组元镶嵌于不同的基底上所形成的多层涂层材料，使得位错难以在纳米晶内部形成，即使形成也难以运动，有时也把不同组元构成的多层膜如超晶格也称为纳米多层涂层。 在众多应用于表面强化的Ti系纳米涂层材料中，TiN是出现最早，也是被最早应用的ー种纳米涂层材料，然而后来出现TiAlN纳米涂层又是较有代表性的ー种，也被认为是最有前途、最新的表面強化涂层材料。TiAlN纳米涂层拥有比TiN涂层更高的硬度并有效的克服了 TiN涂层应用温度不高、脆性大及不耐冲击等缺点，以TiAlN为基的多元化和纳米技术涂层更成为研究的热点，并已在汽车、模具和航空等诸多领域上显示出极其广阔的应用前景，作为ー种先进的涂层材料，在航空航天方面也有很多应用，例如航天发动机的内层耐磨层，航空发动机压气机叶片抗冲蚀和抗盐雾腐蚀镀层。TiAlN纳米涂层具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小和导热率低等优良特性，显示出其是制作刀具等高速耐磨エ件的优良材料。然而，如果能够在TiN、TiAlN基础上设计出ー种制备简单，性能更优的全新的硬度高、摩擦系数小的优质纳米涂层，将会得到更为广阔的应用。
技术实现思路
本专利技术的技术任务是解决现有技术的不足，提供ー种制备简单、硬度高、摩擦系数小的用于基底表面处理的纳米复合涂层及其制备方法和装置。本专利技术的技术方案是按以下方式实现的，一种用于基底表面处理的纳米复合涂层，所述用于基底表面处理的纳米复合涂层包括附着在基底表面上的Ti过渡层和纳米复合涂层，所述纳米复合涂层由TiN涂层、TiAlN涂层、CrTiAlN涂层交替排列组成，所述Ti过渡层设置在里层，纳米复合涂层设置在表层。在本专利技术中，基底为汽车、模具和航空等领域中高速耐磨エ件的统称，采用上述技术方案，首先在基底上涂覆ー层Ti过渡层，然后制备TiN涂层时开启Ti靶，制备TiAlN涂层时开启Ti靶、Al靶，制备CrTiAlN涂层时同时开启Ti靶、Al靶、Cr靶，其靶开启是在前一个开启的基础上而开启的，当一圈制备完成后再制取TiN涂层时又只开启Ti靶而关闭Al和Cr靶，然后再重复依次开启，最终制得TiN涂层、TiAlN涂层、CrTiAlN涂层交替排布的纳米复合涂层。上述结构减小了纳米多层涂层直接与基底材料涂覆时产生的过大热膨胀系数差异，因而增加了纳米多层涂层与基底材料结合强度，保证其硬度的加强和摩擦系数减小，可以提供ー种新型高硬度、低摩擦系数的优质纳米复合涂层。作为改进，所述的纳米复合涂层包括4 10层。采用本改进方案，可以保证结构膜的厚度达到所需的要求。ー种制备用于基底表面处理的纳米复合涂层的装置，其结构包括抽真空机构、气体输入机构、起重机构、冷却循环机构、控制机构、反应室，其特征在于所述反应室内部的四个侧面上均设置有靶座，靶座上安装有工作靶，在反应室上盖的下侧还连接有エ件夹持工具，该エ件夹持工具包括定位盘，在定位盘的圆周上均匀安装有至少四个エ件夹紧装置。采用上述装置制备用于基底表面处理的纳米复合涂层时，采用的エ件夹持工具为行星轮夹具，控制凸轮在溅射过程中的曲面廓形，基于离子溅射沉积技术镀膜的凸轮机构，替代现有凸轮表面热处理技术，解决凸轮廓形面磨损严重、后序加工工作量大和凸轮变形量大等难点，离子溅射后的凸轮机构使用寿命长，加工成本低，摩擦磨损小，减少拆卸更换次数，实现有效地在凸轮廓形面上制备纳米多层涂层材料。 作为改进，所述工作靶上配套的槽壳为尼龙槽壳。本改进方案利用尼龙材料制作靶的槽壳与金属靶座相比保证了磁场的正确性，減少了金属长期在磁场下被磁化所帯来的磁场情况改变。作为改进，所述エ件夹紧装置上开设有卡槽并通过定位螺栓固定在定位盘上，在エ件夹紧装置用于夹紧エ件的卡槽壁上还设置有压紧螺栓。本改进方案可保证エ件能稳定牢固的安装在卡槽上。ー种制备用于基底表面处理的纳米复合涂层的方法，其特征在于包括以下步骤 1).基底材料准备首先准备ー用于沉积纳米复合涂层的基底材料，预处理后备用； 2).磁控溅射设备预处理将磁控溅射设备的反应室清洁后装入Ti靶、Al靶和Cr靶，然后将经过预处理的基底材料固定于磁控溅射设备反应室内； 3).表面溅射清洗开始对反应室抽真空，直至真空度稳定在(I±0. I) X10_3Pa时通入Ar气，Ar气的输出压カ为0. 5 3Mpa，Ar气的流量为15 25sccm ;开启偏压电源至-300± 100V，将基底材料作为阴极靶，高能离子轰击基底材料对基底进行清洗，清洗时候不开任何靶材，溅射清洗时间为5 20 min ； 4).沉积Ti过渡层开启Ti靶电源，Ti靶电源功率维持在200 400W，出现稳定的辉光现象时开始沉积，沉积时间为20 40min ； 5).沉积TiN涂层通入N215 25sccm，调节Ti靶电源使功率维持在200 400W，待出现稳定的辉光现象时开始沉积，沉积时间为10 30min ； 6).沉积TiAlN涂层开启Al靶电源，调节Al靶电源使功率维持在200 400W，待出现稳定的辉光现象时开始沉积，沉积时间为10 30min ； 7).沉积CrTiAlN涂层开启Cr靶电源，调节Cr靶电源使功率维持在200 400W，待出现稳定的辉光现象时开始沉积10 30min ； 依次重复步骤5)、步骤6)、步骤7) 3 9次，以在基底上沉积由若干层TiN、TiAlN,CrTiAlN组成的纳米复合涂层。采用的上述反应磁控溅射方法是物理气相沉积中的ー种，因为沉积涂层表面平整致密，沉积温度低，产品不易变形等优点而被用于要求精度高的涂层制备。该方法中靶材更换方便，易于维修，提高了制备材料质量和靶材利用率，对于单靶溅射的可以一次放入，完成多份不同溅射时间的涂层沉积，对于多靶溅射的可以一次完成相同溅射时间的多个エ件的涂层沉积，降低了生产成本。当參与溅射的基底材料为不导电材料时可用高频等离子电源实现涂层的沉积；当參与溅射的基底材料为导电材料时可用射频电源，且由于整个反应釜外周都通有冷却水，可以有效的保护高温下设备的可靠运行，在依次沉积Ti、TiN、TiAlNXrTiAlN涂层时，其靶开启是在前一个开启的基础上而开启的，当一圈制备完成后再制取TiN涂层时又只开启Ti靶而关闭Al和Cr靶，然后再重复依次开启。形成的纳米涂层具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小和导热率低等优良特性，是制作刀具等高速耐磨エ件的优良材料。作为优选，所述步骤I)中使用的基底材料为硬质合金、高速钢或不锈钢；该基底材料的预处理过程为将原材料制备成所需形状，制备好的基底材料经打磨、抛光后，在丙酮或酒精溶液中进行超声波清洗，然后快速取出烘干备用；采用本优选方案对基底材料进行合适的选材和有效地预处理可保证有效地制备纳米多层涂层材料。作为优选，上述步骤3)中反应室内抽真空至(6±1) X10° Pa时，通冷却水进行冷却，及时降温，保证设备的正常运行。作为优选，所述步骤4)中制备Ti过渡层时偏压电源为-75±20V，基底温度为150°C 250°C，转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于基底表面处理的纳米复合涂层，其特征在于：所述用于基底表面处理的纳米复合涂层包括附着在基底表面上的Ti过渡层和纳米复合涂层，所述纳米复合涂层由TiN、TiAlN、CrTiAlN纳米涂层交替排列组成，所述Ti过渡层设置在里层，纳米复合涂层设置在表层。

【技术特征摘要】
1.一种用于基底表面处理的纳米复合涂层，其特征在于所述用于基底表面处理的纳米复合涂层包括附着在基底表面上的Ti过渡层和纳米复合涂层，所述纳米复合涂层由TiN, TiAlN, CrTiAlN纳米涂层交替排列组成，所述Ti过渡层设置在里层，纳米复合涂层设置在表层。2.根据权利要求I所述的ー种用于基底表面处理的纳米复合涂层，其特征在于所述的纳米复合涂层包括4 10层。3.ー种制备用于基底表面处理的纳米复合涂层的装置，用来制备权利要求I或2中所述的用于基底表面处理的纳米复合涂层，其结构包括抽真空机构、气体输入机构、起重机构、冷却循环机构、控制机构、反应室，其特征在于所述反应室内部的四个侧面上均设置有靶座，靶座上安装有工作靶，在反应室上盖的下侧还连接有エ件夹持工具，该エ件夹持工具包括定位盘，在定位盘的圆周上均匀安装有至少四个エ件夹紧装置。4.根据权利要求3所述的ー种制备用于基底表面处理的纳米复合涂层的装置，其特征在于所述工作靶上配套的槽壳为尼龙槽売。5.根据权利要求3所述的ー种制备用于基底表面处理的纳米复合涂层的装置，其特征在干所述エ件夹紧装置上开设有卡槽并通过定位螺栓固定在定位盘上，在エ件夹紧装置用于夹紧エ件的卡槽壁上还设置有压紧螺栓。6.ー种制备用于基底表面处理的纳米复合涂层的方法，其特征在于包括以下步骤 1).基底材料准备首先准备ー用于沉积纳米复合涂层的基底材料，预处理后备用； 2).磁控溅射设备预处理将磁控溅射设备的反应室清洁后装入Ti靶、Al靶和Cr靶，然后将经过预处理的基底材料固定于磁控溅射设备反应室内； 3).表面溅射清洗开始对反应室抽真空，直至真空度稳定在(I±0. I) X10_3Pa时通入Ar气，Ar气的输出压カ为0. 5 3Mpa，Ar气的流量为15 25sccm ;开启偏压电源至-300± 100V，将基底材料作为阴极靶，高能离子轰击基底材料对基底进行清洗，清洗时候不开任何靶材，溅射清洗时间为5 20 min ； 4).沉积Ti过渡层开启Ti靶电源，Ti靶电源功率维持在200 400W，出现稳定的辉光现象时开...

【专利技术属性】
技术研发人员：王守仁，张海平，田希杰，王英姿，乔阳，宋令惠，王敏，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：