CN103469154B - 一种TiAlN复合涂层及其设有该涂层的刀具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
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。本发明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。
Description
技术领域
本发明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。本发明还涉及一种TiAlN复合涂层。
背景技术
由Al替代面心立方TiN中Ti原子会形成的亚稳相固溶体Ti-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。
Ti-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，Ti-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Ti-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。
发明内容
本发明的目的是提供一种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。
本发明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。
本发明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，本发明提供了一种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“Ti1-xAlxN到Ti1-yAlyN到Ti1-zAlzN”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Ti1-xAlxN到Ti1-yAlyN到Ti1-zAlzN，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，本发明在TiAl金属层的基础上沉积一层拥有立方结构的Ti1-xAlxN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“Ti1-xAlxN到Ti1-yAlyN到Ti1-zAlzN”呈立方结构生长。
优选地，所述多层涂层的总厚度为1μm～10μm，优选为2μm～6μm。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Ti1-xAlxN层的单层厚度为2～50nm，优选2～10nm。
优选地，所述Ti1-yAlyN层的单层厚度为2～10nm，优选2～6nm。在本发明中，如果该层过厚，Ti1-yAlyN层过厚则不能沿立方结构的Ti1-xAlxN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Ti1-zAlzN层的单层厚度为2～10nm，优选2～6nm。在本发明中，如果该层过厚，Ti1-zAlzN层过厚则不能沿已经获得立方结构生长的Ti1-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Ti1-xAlxN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Ti1-yAlyN层中0.6≤y≤0.8，如果y值过高则会增加和Ti1-xAlxN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Ti1-zAlzN层中0.8≤z≤1.0，如果z值过高则会增加和Ti1-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“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。本发明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，本发明的优点在于：本发明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。本发明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。
本发明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%。
本发明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比，生产成本大幅度降低达40%。
附图说明
图1是根据本发明的TiAlN复合涂层刀具的制备系统示意图。
具体实施方式
在本发明中，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Ti1-xAlx；基底层30是指TiAlN基底层，该基底层的成分为Ti1-xAlxN；循环沉积层或多周期涂层40包括根据Ti1-xAlxN层41、Ti1-yAlyN层42、Ti1-zAlzN层43的自由排列和组合，涂层的总复合厚度为1～10μm，0.5≤x<y<z≤1，或者，x<y<z，且0.5≤x≤0.6，0.6≤y≤0.8；0.7≤z≤1.0；周期性涂层或循环沉积层40包括成分为Ti1-xAlxN的内层41、成分为Ti1-yAlyN的中层42、成分为Ti1-zAlzN的外层43。
根据本发明的一个实施例，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。
根据本发明的另外一个实施例，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1～10μm。优选地，所述复合层的总厚度为2～6μm。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种具有复合涂层的刀具，包括合金基体10、过渡层20、基底层30、以及位于所述刀具表层的多周期涂层40。所述多周期涂层40包括单层厚度为2～50nm的内层41，单层厚度为2～10nm的中层42，以及单层厚度为2～6nm的外层43。优选地，所述复合层的总厚度为2～6μm。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种具有复合涂层的刀具的制备系统，其特征在于，其包括过渡层涂敷装置21、基底层涂敷装置31、多周期涂层的内层涂敷装置411、多周期涂层的中层涂敷装置421、及多周期涂层的外层涂敷装置431；过渡层原料容器22、基底层原料容器32、以及多周期涂层的内层原料容器412、多周期涂层的中层原料容器422、及多周期涂层的外层原料容器432；过渡层原料控制器23、基底层原料控制器33、以及多周期涂层的内层原料控制器413、多周期涂层的中层原料控制器423、及多周期涂层的外层原料控制器433；多周期涂层循环控制器50；过渡层涂敷装置、基底层涂敷装置、多周期涂层的内层涂敷装置、多周期涂层的中层涂敷装置、及多周期涂层的外层涂敷装置分别经过过渡层原料控制器、基底层原料控制器、以及多周期涂层的内层原料控制器、多周期涂层的中层原料控制器、及多周期涂层的外层原料控制器与过渡层原料容器、基底层原料容器、以及多周期涂层的内层原料容器、多周期涂层的中层原料容器、及多周期涂层的外层原料容器连通；多周期涂层的内层原料控制器、多周期涂层的中层原料控制器、及多周期涂层的外层原料控制器依次连通，且都与多周期涂层循环控制器电连通。
优选地，各涂敷装置为物理气相沉积装置。
优选地，还包括所述复合层的总厚度控制器。
实施例1：
一种本发明的沉积于硬质合金基体上含周期性涂层的多层涂层刀具，涂层的厚度控制在3μm，该多层涂层的TiAl金属层厚度为20nm，沉积在TiAl金属层上的Ti0.50Al0.50N层为200nm，然后，再循环沉积，以“Ti0.50Al0.50N到Ti0.32Al0.68N到Ti0.18Al0.82N”为周期的多层涂层，其中，Ti0.55Al0.50N层厚为8nm，Ti0.32Al0.68N层厚为6nm，Ti0.18Al0.82N层厚为6nm，直至总厚度～3μm。本发明制备的涂层为立方结构，涂层的硬度为～35.6GPa，而普通的Ti0.50Al0.50N涂层的硬度仅为～29.6GPa。
实施例2：
一种本发明的沉积于硬质合金基体上含周期性涂层的多层涂层刀具，涂层的厚度控制在8μm，该多层涂层的TiAl金属层厚度为30nm，沉积在TiAl金属层上的Ti0.45Al0.55N层为400nm，然后，再循环沉积，以“Ti0.45Al0.55N到Ti0.28Al0.72N到Ti0.08Al0.92N”为周期的多层涂层，其中，Ti0.45Al0.55N层厚为8nm，Ti0.28Al0.72N层厚为5nm，Ti0.08Al0.92N层厚为4nm，直至总厚度～5μm。本发明制备的涂层为立方结构，涂层的硬度为～36.7GPa，而普通的Ti0.45Al0.55N涂层的硬度仅为～31.2GPa。
实施例3：
一种本发明的沉积于硬质合金基体上含周期性涂层的多层涂层刀具，涂层的厚度控制在8μm，该多层涂层的TiAl金属层厚度为50nm，沉积在TiAl金属层上的Ti0.50Al0.50N层为500nm，然后，再循环沉积，以“Ti0.50Al0.50N到Ti0.20Al0..80N到AlN”为周期的多层涂层，其中，Ti0.50Al0.50N层厚为6nm，Ti0.20Al0..80N层厚为4nm，AlN层厚为2nm，直至总厚度～8μm。本发明制备的涂层为立方结构，涂层的硬度为～33.7GPa，而普通的Ti0.50Al0.50N涂层的硬度仅为～29.6GPa。
在本发明不同的实施例中，可能采用以上各数据范围内的任何数值。为了简明期间，不再赘述。
根据以上公开的各种实施例所体现的本发明的构思，本领域的技术人员可以进一步进行补充、完善、修改、改进等等，然而，这样做都将落入本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种TiAlN多层涂层，其特征在于：依次包括TiAl过渡层、Ti1-xAlxN的基底层、至少一层循环沉积层，TiAl金属层的厚度为10-80nm；每个所述循环沉积层包括Ti1-xAlxN层、Ti1-yAlyN层、Ti1-zAlzN层，其中，所述Ti1-xAlxN层的单层厚度为2-50nm，所述Ti1-yAlyN层的单层厚度为2-10nm，所述Ti1-zAlzN层的单层厚度为2-6nm；Ti1-xAlxN层、Ti1-yAlyN层、Ti1-zAlzN层顺序排列和组合，涂层的总复合厚度为1-10μm，0.5≤x<y<z≤1.0；或者x<y<z，且0.5≤x≤0.6，0.6≤y≤0.8；0.7≤z≤1.0。
2.根据权利要求1所述的多层涂层，其特征在于：所述多层涂层还包括基体表面有一层TiAl金属层，该金属层的成分为Ti1-xAlx；所述多层涂层还包括有在TiAl金属层上有一层TiAlN基底层，该基底层的成分为Ti1-xAlxN；TiAlN基底层的厚度为50-500nm；和/或复合涂层的总厚度为1-10μm。
3.一种具有如权利要求1或2所述的复合涂层的刀具，包括合金基体；TiAl金属过渡层；TiAlN基底层；周期性多层涂层，其位于所述刀具表层。
4.根据权利要求3所述的刀具，其特征在于，所述周期性涂层是以“Ti1-xAlxN到Ti1-yAlyN到Ti1-zAlzN”为一个循环周期的多周期涂层。
5.根据权利要求4所述的刀具，其特征在于：所述周期性涂层中，所述Ti1-xAlxN层的单层厚度为2-50nm，所述Ti1-yAlyN层的单层厚度为2-10nm，所述Ti1-zAlzN层的单层厚度为2-6nm。
6.一种如权利要求3-5中任一项所述的含周期性涂层的复合涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，采用物理气相沉积工艺并利用TiAl靶在所述刀具基体上沉积TiAl金属层，然后，沉积TiAlN基底层，再在TiAlN基底层上循环沉积以“Ti1-xAlxN到Ti1-yAlyN到Ti1-zAlzN”为周期的多周期涂层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述复合层的总厚度为2～6μm。
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