一种TiAlN复合涂层及其设有该涂层的刀具的制备方法技术

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种TiAlN多层涂层，该涂层是以“Ti1-xAlxN到Ti1-yAlyN到Ti1-zAlzN”为一个周期的多层涂层。制备方法为：采用物理气相沉积的方法沉积一层TiAl过渡层，然后沉积一层Ti1-xAlxN的基底层，再在Ti1-xAlxN的基底层上循环沉积以“Ti1-xAlxN到Ti1-yAlyN到Ti1-zAlzN”为周期的多层涂层，直至复合涂层的总厚度达到1μm～10μm，其中，0.5≤x<y<z≤1。本专利技术的多层涂层与基体结合紧密、具有高硬度、高强度、特别是高的抗氧化能力。【专利说明】—种TiAIN复合涂层及其设有该涂层的刀具的制备方法
本专利技术涉及一种拥有优异的力学和抗氧化性能的TiAlN复合涂层刀具及其制备方法。本专利技术还涉及一种TiAlN复合涂层。
技术介绍
由Al替代面心立方TiN中Ti原子会形成的亚稳相固溶体T1-Al-N涂层。由于其优异的力学性能和高温抗氧化能力而成为切削刀具普遍应用的刀具涂层材料。T1-Al-N涂层的力学和抗氧化性能随涂层中Al含量的上升而提高，直至涂层中Al含量超过TiN中Al的固溶度(~0.6);此时，T1-Al-N涂层的晶体结构由TiN的立方结构向六方的AlN结构转化，从而使其力学性能和抗氧化能力下降。因此，在保证T1-Al-N涂层立方结构的前提下尽可能地提高涂层中的Al含量，才有望进一步改善涂层的力学和抗氧化性能。然而，现有技术一直没有能够解决上述矛盾。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种TiAlN多层涂层材料，其能表现出Al含量较高的并具有优异的力学和抗氧化性能。本专利技术的另外一个目的是提供一种含有这TiAlN复合涂层的刀具，其能表现出Al含量较高的并具有优异的力学和抗氧化性能。本专利技术的再一目的是提供一种以上复合涂层刀具的制备方法，其工艺简单、设备常规、生产成本低。为此，本专利技术提供了一种TiAlN基多层涂层，所述多层涂层包括TiAl金属过渡层、TiAlN基底层、和位于表层的周期性多层涂层，该周期性涂层是以“TihAlxN到Tii_yAlyN到TihAlzN”为一个循环周期的多周期涂层。优选地，所述周期性涂层复合了 TihAlxN到TihAlyN到Ti1=AlzN,经大量研究发现，TiAlN涂层的Al含量低于60%时，涂层的结构为立方结构，因此，本专利技术在TiAl金属层的基础上沉积一层拥有立方结构的TihAlxN层，其厚度控制在50nm~500nm,该层可改善涂层与基体的结合强度，更重要的是，可促进后续沉积的“IVXA1XN? IVyAly^IjIVzAlzNM呈立方结构生长。优选地,所述多层涂层的总厚度为1 μ m~10 μ m,优选为2 μ m~6 μ m。因为所述多层涂层如果过薄，会影响到多层涂层的保护性能和保护效果，但过厚的多层涂层不仅会产生过高的应力，导致涂层易剥落，而且成本也随之增加。优选地,所述TDlxN层的单层厚度为2~50nm,优选2~10nm。优选地，所述IVyAlyNM的单层厚度为2~10nm，优选2~6nm。在本专利技术中，如果该层过厚，TipyAlyN层过厚则不能沿立方结构的TihAlxN层外延生长为立方结构而转化为六方结构，其力学和抗氧化性能均会降低；而过薄则难以控制，也起不到提高涂层Al含量的效果。优选地，所述IVzAlzNM的单层厚度为2~10nm，优选2~6nm。在本专利技术中，如果该层过厚，TihAlzN层过厚则不能沿已经获得立方结构生长的Tii_yAlyN层外延生长为立方结构而转化为六方结构，其力学和抗氧化性能均会降低；而过薄则难以控制，也起不到提高涂层Al含量的效果。优选地，所述TihAlxN层中0.5≤X≤0.6,首先确保涂层为立方结构，x值过低或者过高均会影响涂层的性能。优选地，所述Ti1JlyN层中0.6≤y≤0.8，如果y值过高则会增加和IVxAlxN层的晶格差异而影响其外延生长，过低则起不到提高Al含量的效果。优选地，所述TihAlzN层中0.8 < z < 1.0，如果z值过高则会增加和Ti^yAlyN层的晶格差异而影响其外延生长，过低则起不到提高Al含量的效果。一种TiAlN多层涂层，该涂层是以“TihAlxN到IVyAlyN到IVZA1ZN”为一个周期的多层涂层。制备方法为:采用物理气相沉积的方法沉积一层TiAl过渡层，然后沉积一层TihAlxN的基底层，再在IVxAlxN的基底层上循环沉积以“TihAlxN到IVyAlyN到TihAlzN”为周期的多层涂层，直至复合涂层的总厚度达到Iym~ΙΟμπι，其中，0.5 ( x<y<z ( I。本专利技术的多层涂层与基体结合紧密、具有高硬度、高强度、特别是高的抗氧化能力。与现有技术相比，本专利技术的优点在于:本专利技术的多层涂层首先通过多层界面释放涂层的生长应力，进而改善涂层与基体的结合强度；另外，多层界面强化效应可提高涂层的硬度和强度；在通过周期性涂 层中各单层厚度和成分的合理控制，可确保涂层呈立方结构生长，从而提高涂层的力学和 抗氧化性能。本专利技术还针对该多层涂层的特性，提供了一种工艺简单、设备要求低、生产成 本低 的复合涂层刀具的制备方法。多层涂层是由两种或两种以上具有不同成分或结构的涂层在垂直于薄膜一维方向上相互交替、沉积生长而形成的多层结构，其特点在于，可组合各种单一涂层材料的优势，使其综合性能好于各种单一涂层材料，且层与层之间的界面会对涂层起到强化作用。另外，两种或两种以上不同结构的涂层材料在单层厚度控制在一定范围内时可形成低能共格界面，其中，一种材料常会形成亚稳相，并与另一材料形成共格界面。本专利技术的复合涂层刀具具有更高的硬度和抗氧化性能，更加坚固耐用，其与现有的TiAl涂层合金刀具相比硬度可提高20-60%，抗氧化性能提高30-70%。本专利技术的复合涂层刀具的制备方法与现有的TiAl涂层合金刀具的制备工艺相t匕，生产成本大幅度降低达40%。【专利附图】【附图说明】图1是根据本专利技术的TiAlN复合涂层刀具的制备系统示意图。【具体实施方式】在本专利技术中，如图1所示，过渡层20是指位于基体表面的TiAl金属层，该金属层的成分为IVxAlx ;基底层30是指TiAlN基底层，该基底层的成分为IVxAlxN ;循环沉积层或多周期涂层40包括根据IVxAlxNM 41、IVyAlyNM 42、Ti1=AlzNM 43的自由排列和组合，涂层的总复合厚度为I~10 μ m, 0.5 < x<y<z ( I,或者，x〈y〈z,且0.5 ^ x ^ 0.6,0.6^y^0.8；0.1.0 ;周期性涂层或循环沉积层40包括成分为TihAlxN的内层41、成分为Tii_yAlyN的中层42、成分为TihAlzN的外层43。根据本专利技术的一个实施例，一种多层涂层结构依次包括过渡层20、基底层30、至少一层循环沉积层40。根据本专利技术的另外一个实施例，一种多层涂层结构，其特征在于:包括多周期涂层40。优选地，所述多层涂层还包括过渡层20和基底层30 ;过渡层20的厚度为10~80nm ；基底层30的厚度为50~500nm ;和/或复合涂层的总厚度为I~10 μ m。优选地，所述复合层的总厚度为2~6 μ m。根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiAlN多层涂层，依次包括TiAl过渡层、Ti1?xAlxN的基底层、至少一层循环沉积层，每个所述循环沉积层包括Ti1?xAlxN层、Ti1?yAlyN层、Ti1?zAlzN层，其中，Ti1?xAlxN层、Ti1?yAlyN层、Ti1?zAlzN层顺序自由排列和组合，涂层的总复合厚度为1μm～10μm，0.5≤x

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昌斌，汤昌仁，姚鹏，
申请(专利权)人：江西稀有稀土金属钨业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：