CN105051250A - 其中涂层方案包括TiAl2O3的涂层的带涂层的主体及其制备方法 - Google Patents

其中涂层方案包括TiAl2O3的涂层的带涂层的主体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带涂层的切削刀片(20)及其制备方法。所述带涂层的切削刀片(20)具有带有基底表面(24、26)的基底(22)。所述基底表面(24、26)上存在背衬涂层方案，以及TiAl2O3涂层，其中使用化学气相沉积从包含AlCl3、H2、TiCl4、CO2和HCl的气体组合物沉积所述TiAl2O3涂层。

Description

其中涂层方案包括TiAl2O3的涂层的带涂层的主体及其制备方法
背景技术
本发明涉及带涂层的主体(及其制备方法)，其中涂层方案通过化学气相沉积(CVD)来施加，并且特别是可用于材料移除应用诸如机加工、车削和铣削中的带涂层的切削刀片。更具体地讲，本发明涉及带涂层的主体(及其制备方法)，诸如其中涂层方案包括通过CVD施加的TiAl2O3涂层的带涂层的切削刀片，并且其中带涂层的切削刀片表现出可接受的特性，包括高性能切削应用、高速切削应用中的适用性，改善的耐热性，以及改善的耐磨性。
迄今为止，带涂层的主体诸如带涂层的切削刀片已用于材料移除应用中。涂层通常包含表现出耐热性和/或耐磨性特性的硬耐火材料。在切削刀片上使用涂层的一个主要目的是延长切削刀片的使用寿命。这些涂层方案中的示例性涂层方案在以下文件中的一些中有所描述：Hochaer等人的名称为“TitaniumdopedCVDaluminacoatings”(掺钛CVD氧化铝涂层)的文章，Surface&CoatingsTechnology203(2008),pages350-356(《表面和涂层技术》，第203卷，2008年，第350-356页)；Kathrein等人的名称为“DopedCVDAl203coatingsforhighperformancecuttingtools”(用于高性能切削工具的掺杂CVDA1203涂层)，Surface&CoatingsTechnology163-164(2001),pages181-188(《表面和涂层技术》，第163-164卷，2001年，第181-188页)；授予Smith等人的美国专利No.4,180,400；对于切削工具部件的日本公布专利申请No.59-085860A；授予Nakano的美国专利No.4,746,563；授予Westphal等人的美国专利No.6,660,371；以及授予Sottke等人的美国专利No.7,326,461。
从上述文件明显可见，过去已使用了用于带涂层的切削刀片的许多不同涂层方案。根据这些文件，这些涂层方案中的每一个提供某些优点。虽然已经存在应该提供某些优点的涂层方案，但仍一直希望继续延长使用寿命，以及改善带涂层的切削刀片的高性能切削应用特性、高速切削应用特性、改善的耐热性特性，以及改善的耐磨性特性。对于带涂层的切削刀片，存在延长使用寿命，以及改善高性能切削应用特性、高速切削应用特性、改善的耐热性特性，以及改善的耐磨性特性的希望。
因此，非常希望提供带涂层的切削刀片(及其制备方法)，该带涂层的切削刀片可用于材料移除应用中，其具有改善的特性，其中CVD涂层包括包含TiAl2O3涂层的涂层方案。另外，非常希望提供带涂层的切削刀片(及其制备方法)，该带涂层的切削刀片可用于材料移除应用中，其中CVD涂层包括包含TiAl2O3涂层的涂层方案并且切削刀片具有延长的工具寿命，以及表现出改善的性能特性。再另外，非常希望提供带涂层的切削刀片(及其制备方法)，该带涂层的切削刀片可用于材料移除应用中，其中CVD涂层包括包含TiAl2O3涂层的涂层方案并且切削刀片具有延长的工具寿命，以及表现出可接受的特性，包括高性能切削应用、高速切削应用中的适用性，改善的耐热性，以及改善的耐磨性。
发明内容
在一种形式中，本发明是带涂层的切削刀片，其包括具有基底表面的基底、基底表面上的背衬涂层方案，以及TiAl2O3涂层，其中使用化学气相沉积从包含AlCl3、H2、TiCl4、CO2和HCl的气体组合物沉积TiAl2O3涂层。
在其另一种形式中，本发明是用于制备带涂层的切削刀片的方法，该方法包括以下步骤：提供具有基底表面的基底；通过化学气相沉积将背衬涂层方案沉积在基底表面上；以及通过化学气相沉积从包含AlCl3、H2、TiCl4、CO2和HCl的气体组合物沉积TiAl2O3涂层。
在又一种形式中，本发明是用于制备带涂层的切削刀片的方法，该方法包括以下步骤：提供具有基底表面的基底；通过化学气相沉积将背衬涂层方案沉积在基底表面上；以及通过化学气相沉积来沉积包含TiAl2O3涂层和氧化铝涂层的交替涂层的TiAl2O3氧化铝涂层方案，使用化学气相沉积从包含AlCl3、H2、TiCl4、CO2和HCl的气体组合物沉积该TiAl2O3涂层。
附图说明
以下为形成本专利申请的一部分的附图说明：
图1是本发明的带涂层的切削刀片的特定实施例的等轴视图，其中涂层方案的一部分被移除以暴露基底；
图2是包括表5中的切削刀片R1的特定实例的特定涂层方案的示意性剖视图；
图3是包括表5中的切削刀片R2的特定实例的特定涂层方案的示意性剖视图；
图4是包括表5中的切削刀片R3的特定实例的特定涂层方案的示意性剖视图；
图5是包括表5中的切削刀片R4的特定实例的特定涂层方案的示意性剖视图；
图6是可用于与图1的带涂层的切削刀片一起使用的涂层方案的一个特定实施例的示意性剖视图；
图7是适于与图1的带涂层的切削刀片一起使用的涂层方案的另一个特定实施例的示意性剖视图；
图8是适于与图1的带涂层的切削刀片一起使用的涂层方案的再一个特定实施例的示意性剖视图；
图9是适于与图1的带涂层的切削刀片一起使用的涂层方案的又一个特定实施例的示意性剖视图；
图10是CVDAl2O3涂层的表面的显微照片(具有10微米的标度)；
图11是实例R3的CVDTiAl2O3涂层的表面的显微照片(具有10微米的标度)；
图12是代表切削刀片实例R1至R4的前刀面的横截面的显微照片(具有10微米的标度)；
图13是切削刀片实例R1的拐角的横截面的显微照片(具有50微米的标度)；
图14是切削刀片实例R4的拐角的横截面的显微照片(具有50微米的标度)；并且
图15是包括用于表5的测试中的KCP25切削刀片涂层方案的特定涂层方案的示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出通常指定为20的带涂层的切削刀片的实施例(其为带涂层的主体的一种形式)，并且其通常可结合用于切屑成形材料移除操作的切削组件使用。在切屑成形材料移除操作中，切削刀片接合工件以从工件移除通常为切屑形式的材料。从工件移除切屑形式的材料的材料移除操作通常被本领域的技术人员已知为切屑成形材料移除操作。Moltrecht的书MachineShopPractice[IndustrialPressInc.,NewYork,NewYork(1981)](《机工车间实习》，纽约州纽约市工业出版社，1981年)在第199-204页尤其呈现了切屑形成的描述，以及不同种类的切屑(即，连续切屑、不连续切屑、节状切屑)。Moltrecht在第199-200页[部分]说道，“当切削工具与金属第一次接触时，其在切削刃之前压缩金属。在工具前进时，切削刃之前的金属被压迫至其中其将在内部剪切的点，使得金属的晶粒变形并且沿着称为剪切平面的平面塑性流动…当被切削的金属类型是可延展的时(诸如钢)，切屑将以连续条带脱落…”。Moltrecht继续描述不连续切屑和节状切屑的形成。作为另一个例子，在ASTEToolEngineersHandbook,McGrawHillBookCo.,NewYork,NewYork(1949)(《ASTE刀具工程师手册》，纽约州纽约市麦格劳希尔图书公司，1949年)的第302-315页发现的文本提供了对于金属切削过程中的切屑形成的一个冗长的说明。该ASTE手册在第303页展示了在切屑形成与机加工操作(诸如车削、铣削和钻孔)之间的清楚的关系。以下专利文献讨论了在材料移除操作中的切屑形成：授予Battaglia等人的美国专利No.5,709,907(转让给肯纳金属公司(KennametalInc.))，授予Battaglia等人的美国专利No.5,722,803(转让给肯纳金属公司(KennametalInc.))，以及授予Oles等人的美国专利No.6,161,990(转让给肯纳金属公司(KennametalInc.))。
带涂层的切削刀片20包括基底22。带涂层的切削刀片20的涂层的一部分被移除以便在图1中示出基底22。基底22可由多种可接受基底材料中的任一种制成。带涂层的切削刀片20具有后刀面24和前刀面26。后刀面24和前刀面26相交以在其接合点处形成切削刃28。在基底22的表面上存在涂层方案30。应当理解，带涂层的切削刀片可表现出与图1中所示的几何形状不同的几何形状。
用于特定实施例中的每一个的基底可选自同一组材料。就此而言，用于基底的合适材料包括但不限于烧结碳化物(例如，但不限于碳化钨-钴材料)、陶瓷(例如，但不限于氮化硅基陶瓷、硅铝氧氮基陶瓷、碳氮化钛基陶瓷、二硼化钛基陶瓷)、金属陶瓷(例如，但不限于具有镍-钴粘结剂和高水平的钛并且还可包含碳化钨和碳化钛的金属陶瓷)，以及钢。
申请人还设想到，基底可表现出梯度组成，特别是在粘结剂浓度、碳氮化物浓度和碳化物浓度中。示例性基底可包括呈现出粘结剂富集的表面区域的烧结碳化物基底，或表现出固溶碳化物富集的粘结剂耗尽的表面区域的烧结碳化物基底。
其他示例性基底材料是多晶立方氮化硼(PCBN)(示例性PCBN材料包括具有陶瓷或金属粘结剂的那些材料)以及其他超硬材料。PCBN材料可结合切削刀片以两种基本方式使用。对于一种方式，PCBN刀片可被钎焊到切削刀片主体。对于第二种方式，PCBN切削刀片可为完全顶部刀片。
应当理解，申请人设想到在沉积涂层方案之前，基底表面可被处理以便改善涂层方案到基底的粘合性。示例性预处理包括去除或减小在基底表面处的粘结剂水平的过程。就钴烧结碳化钨基底而言，这样的预处理将从基底表面移除钴，或处理表面以改善涂层粘合性。另一个示例性预处理将是这样的过程：使基底表面机械地工作以便使基底表面粗糙化，使其随时能产生良好的涂层粘合性。
应当理解，申请人设想到在一些情况下，涂层方案的表面可经受后沉积处理以便改善性能和/或光滑度和/或粘合性。一个示例性处理是从涂层方案的表面移除粗糙体以便使任何应力上升部位减少或最少化。另一个示例性处理是从切削刀片的所选择区域优先移除涂层(或涂层的一部分)。表面处理通常减小拉伸应力或增加涂层中的压缩应力。例如，授予WidiaGmbH的PCT专利公布No.WO02/077312公开了喷丸处理涂层(PVD或PCVD或CVD)以增加内部压应力或减小外部涂层中的内部张应力。
此外，应当理解，为了改善涂层的粘合性，可在涂层中的每个之间提供在显微镜下粗糙的界面。这些在显微镜下粗糙的界面可通过控制CVD(或中等温度化学气相沉积[MT-CVD])参数来产生以便促进涂层的高生长率。CVD过程(包括MT-CVD过程)中的高生长率可通过使用相对较高的沉积温度和/或相对较高的压力而出现。作为用以改善涂层之间的粘合性的另一个替代形式，申请人设想到在沉积过程中，组合物可在相邻层之间逐渐改变以便减少相邻涂层之间的锐利组成界面的存在。
就用以产生特定实施例中的每一个的过程而言，应当理解，对于处理步骤中的每一个，处理步骤的压力和持续时间可改变以便实现期望的涂层厚度。
参见示于图2中的涂层方案，该涂层方案为对于用于切削测试中的特定实例Rl切削刀片的涂层方案，其结果在表5-实例Rl至R4的测试结果中列出。示出作为以下组成的烧结(钴)碳化钨的基底：约93重量％碳化钨以及约7重量％钴。涂层方案包括背衬涂层方案，该背衬涂层方案包括施加到基底表面的氮化钛的基础涂层。在氮化钛的基础涂层的表面上，通过CVD技术沉积中等温度CVD(MT-CVD)碳氮化钛涂层。在MT-CVD碳氮化钛涂层的表面上，通过CVD技术沉积碳氮化钛涂层(在较高温度下沉积，例如约950℃至约1000℃)，并且该涂层可表征为HT-TiCN涂层。在HT-碳氮化钛涂层的表面上，通过CVD技术沉积氧碳氮化钛涂层(或TiCNO涂层)。用于沉积背衬涂层方案的这些涂层的工艺参数在表1-用于背衬涂层方案的工艺参数中列出，其中表1列出温度(℃)、压力(托)，以及涂层沉积的持续时间(分钟)的范围。气体混合物的气体组分以体积百分比列出。
下表1A列出特定温度(℃)、压力(托)，以及涂层沉积的持续时间(分钟)。
表1A：用于背衬涂层的工艺参数
涂层 温度(℃) 压力(托) 持续时间(分钟)
TiN 900℃ 120托 50分钟
MT-TiCN 890℃ 76、40托* 350分钟
HT-TiCN 985℃ 120托 60分钟
TiOCN 985℃ 380托 30分钟
*MT-TiCN涂层以两个步骤沉积，其中一个步骤在40托下，而另一个步骤在40托下。
在可用范围内参见表1和表1A，标题为“涂层”的列是指背衬涂层方案的特定涂层，标题为“温度”的列是指以摄氏度计的涂层的沉积温度，标题为“压力”的列是指以托计的沉积压力，标题为“持续时间”的列是指以分钟计的涂层沉积的持续时间，接下来的六列是指包含用于沉积特定涂层的每个步骤中的气体组分的特定气体。气体含量以气体混合物的体积百分比列出。
返回参见图2的涂层方案，在完成背衬涂层方案的沉积之后，下一个涂层为在沉积过程中使用硫化氢(H2S)沉积在TiCNO涂层表面上的Al2O3。用于通过H2S沉积的Al2O3涂层的工艺参数在表2-用于使用H2S的Al2O3涂层的工艺参数中列出，其中表2列出温度(℃)、压力(托)，以及涂层沉积的持续时间(分钟)的范围。气体混合物的气体组分以体积百分比列出。
表2：用于使用H 2 S的Al 2 O 3 涂层的工艺参数
下表2A列出特定温度(℃)、压力(托)，以及涂层沉积的持续时间(分钟)。
表2A：用于使用H 2 S的Al 2 O 3 涂层的工艺参数
涂层 温度(℃) 压力(托) 持续时间(分钟)
Al2O3 985℃ 60托 120分钟
在可用范围内参见表2和表2A，标题为“涂层”的列是指使用H2S的Al2O3涂层，标题为“温度”的列是指以摄氏度计的涂层的沉积温度，标题为“压力”的列是指以托计的沉积压力，标题为“持续时间”的列是指以分钟计的涂层沉积的持续时间，接下来的五列是指包含用于使用H2S沉积特定Al2O3涂层的气体组分的特定气体。气体混合物的气体组分以体积百分比列出。
下一个涂层为使用H2S沉积在Al2O3涂层表面上的TiAl2O3涂层，并且用于沉积TiAl2O3涂层的工艺参数在表4-用于TiAl2O3涂层的工艺参数中列出。
参见表4，标题为“涂层”的列是指TiAl2O3涂层，标题为“温度”的列是指以摄氏度计的涂层的沉积温度，标题为“压力”的列是指以托计的沉积压力，标题为“持续时间”的列是指以分钟计的涂层沉积的持续时间，接下来的五列是指包含用于沉积特定TiAl2O3涂层的气体组分的特定气体。气体混合物的气体组分以体积百分比列出。
表4：用于TiAl 2 O 3 涂层的工艺参数
表4列出温度(℃)、压力(托)，以及涂层沉积的持续时间(分钟)的范围。下表4A列出特定温度(℃)、压力(托)，以及涂层沉积的持续时间(分钟)。
表4A：用于TiAl 2 O 3 涂层的工艺参数
涂层 温度(℃) 压力(托) 持续时间(分钟)
TiAl2O3 985℃ 60托 120分钟
虽然在表4中列出特定体积百分比，但从工艺条件可见，TiCl4的含量可改变(参见表7)，导致TiAl2O3涂层中的钛的浓度不同。这可包括以梯度方式引入TiCl4，使得TiAl2O3涂层中的钛浓度可在整个TiAl2O3涂层中表现出浓度梯度。尽管特定工艺参数不使用H2S来沉积TiAl2O3涂层，但是期望H2S可被使用，特别是以较低流量使用，例如小于常规用法的约20％来沉积Al2O3涂层。
应当理解，通过化学气相沉积来沉积TiAl2O3涂层的步骤可使用气体组合物，该气体组合物包含约0.5至约2.5体积％AlCl3、约82.5至约98体积％H2、约0.01至约2.0体积％TiCl4、约0.5至约5.0体积％CO2，以及约0.2至约8.0体积％HCI。
下一个涂层为使用H2S沉积在TiAl2O3涂层的表面上的Al2O3涂层。该使用H2S的Al2O3涂层使用表2(和表2A)中列出的相同工艺参数来沉积。
顶部两个涂层为使用H2S沉积在Al2O3涂层表面上的TiCN涂层，以及沉积在TiCN涂层表面上的TiN涂层。用于TiCN层的工艺参数类似于表1(和表1A)中的用于HT-TiCN涂层的那些工艺参数，并且用于TiN的工艺参数类似于表1(和表1A)中的用于TiN涂层的那些工艺参数。
图12是对于切削刀片实例R1至R4典型的前刀面的横截面的显微照片(具有10微米的标度)。图13是切削刀片实例R1的拐角的横截面的显微照片(具有50微米的标度)。
参见示于图3中的涂层方案，该涂层方案为对于用于切削测试中的特定实例R2切削刀片的涂层方案，其结果在表5-实例Rl至R4的测试结果中列出。示出作为以下组成的烧结(钴)碳化钨的基底：约93重量％碳化钨以及约7重量％钴。涂层方案包括背衬涂层方案，该背衬涂层方案包括施加到基底表面的氮化钛的基础涂层。在氮化钛的基础涂层的表面上，通过CVD技术沉积中等温度CVD(MT-CVD)碳氮化钛涂层。在MT-CVD碳氮化钛涂层的表面上，通过CVD技术沉积碳氮化钛涂层(在较高温度下沉积，例如950-1000℃)，并且该涂层可表征为HT-TiCN涂层。在HT-碳氮化钛涂层的表面上，通过CVD技术沉积氧碳氮化钛涂层(或TiCNO涂层)。用于沉积背衬涂层方案的这些涂层的工艺参数在表1和表1A中列出。
下一个涂层是使用表2和表2A中列出的参数使用H2S沉积在TiCNO涂层表面上的Al2O3涂层。下一个涂层是使用表3-用于不使用H2S的Al2O3涂层的工艺参数中列出的工艺参数沉积在使用H2S的Al2O3涂层的表面上的不使用H2S的Al2O3涂层。参见表3，标题为“涂层”的列是指不使用H2S的Al2O3涂层，标题为“温度”的列是指以摄氏度计的涂层的沉积温度，标题为“压力”的列是指以托计的沉积压力，标题为“持续时间”的列是指以分钟计的涂层沉积的持续时间，接下来的四列是指包含用于不使用H2S沉积特定Al2O3涂层的气体组分的特定气体。气体混合物的气体组分以体积百分比列出。
表3：用于不使用H 2 S的Al 2 O 3 涂层的工艺参数
表3列出温度(℃)、压力(托)，以及涂层沉积的持续时间(分钟)的范围。下表3A列出特定温度(℃)、压力(托)，以及涂层沉积的持续时间(分钟)。
表3A：用于不使用H 2 S的Al 2 O 3 涂层的工艺参数
涂层 温度(℃) 压力(托) 持续时间(分钟)
Al2O3 985℃ 60托 30分钟
下一个涂层为不使用H2S沉积在Al2O3涂层表面上的TiAl2O3涂层。用以沉积TiAl2O3涂层的工艺参数在表4和表4A中列出。
下一个涂层为根据表3中的工艺参数不使用H2S沉积在TiAl2O3涂层表面上的Al2O3涂层。使用H2S的Al2O3涂层使用表2中的工艺参数沉积在不使用H2S的Al2O3涂层上。
顶部两个涂层为使用H2S沉积在Al2O3涂层表面上的TiCN涂层，以及沉积在TiCN涂层表面上的TiN涂层。用于TiCN层的工艺参数类似于表1(和表1A)中的用于HT-TiCN涂层的那些工艺参数，并且用于TiN的工艺参数类似于表1(和表1A)中的用于TiN涂层的那些工艺参数。薄的TiN顶层被沉积以用于磨损指示和光学外观。另外，TiN顶层还可用作牺牲层以用于后涂布湿喷射来修改涂层中的应力情况。
参见示于图4中的涂层方案，该涂层方案为对于用于切削测试中的特定实例R3切削刀片的涂层方案，其结果在表5-实例Rl至R4的测试结果中列出。示出作为以下组成的烧结(钴)碳化钨的基底：约93重量％碳化钨以及约7重量％钴。用于实例R3的涂层方案类似于用于实例R2的涂层方案，不同的是在TiAl2O3涂层沉积期间引入TiCl4。参见表7。
参见示于图5中的涂层方案，该涂层方案为对于用于切削测试中的特定实例R4切削刀片的涂层方案，其结果在表5-实例R1至R4的测试结果中列出。示出作为以下组成的烧结(钴)碳化钨的基底：约93重量％碳化钨以及约7重量％钴。用于实例R4的涂层方案类似于用于实例R2的涂层方案，不同的是在TiAl2O3涂层沉积期间引入TiCl4。参见表7。图14是切削刀片实例R4的拐角的横截面的显微照片(具有50微米的标度)。
表5列出实例R1的金属切削测试的测试结果。
表5：实例R1至R4的金属切削测试结果
测试条件：
1000sfm/0.012ipr/0.08doc
304.8m/min/0.3048mm/0.08mmdoc
连续车削测试/导程角：约5
工件材料：1045钢(C45DIN)
通过R4与KCP25切削刀片相比。图15描述了用于测试中的KCP25切削刀片的涂层方案。标记“没有后涂布”意指带涂层的切削刀片并未经受后涂布处理。标记“后涂布处理”意指带涂层的切削刀片在涂层方案沉积之后经受利用氧化铝磨粒的湿喷射。
从测试结果明显看出，实例R2至R4表现出超过KCP25切削刀片的增加的工具寿命，所述KCP25切削刀片使用如图15所列出的涂层方案。
实例R1至R4的厚度(以微米计)
表6：实例R1至R4的涂层的厚度(微米)
在上表6中列出。关于厚度，标记为Al2O3/TiAl2O3/Al2O3的列表示Al2O3涂层和TiAl2O3涂层的总厚度(厚度的总和)。
因此，应当理解，涂层方案可具有以下厚度参数。基础氮化钛涂层的厚度等于约0.5μm至约0.7μm之间。MT-碳氮化钛涂层的厚度等于约9.2μm至约10μm之间。HT-碳氮化钛涂层的厚度等于约0.8μm至约1.3μm之间。通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的内部氧化铝涂层和通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的外部铝涂层以及TiAl2O3涂层的厚度加在一起介于约7.3μm至约11.2μm之间。外部含钛涂层方案的厚度介于约2μm至约2.6μm之间。
应当进一步理解，涂层方案可具有以下厚度参数。基础氮化钛涂层的厚度等于约0.05μm至约2.0μm之间。MT-碳氮化钛涂层的厚度等于约1.0μm至约25.0μm之间。HT-碳氮化钛涂层的厚度等于约0.05μm至约5.0μm之间。通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的内部氧化铝涂层以及TiAl2O3涂层的厚度加在一起介于约0.5μm至约25.0μm。外部碳氮化钛涂层和外部氮化钛层的厚度加在一起介于约0.5μm至约5.0μm之间。
参见图6至图9列出的涂层方案，涂层是不需加以说明的。对于图6-图9的涂层方案中的每一个，背衬涂层方案沉积在基底的表面上。背衬涂层方案包括施加到基底表面的氮化钛的基础涂层。在氮化钛的基础涂层的表面上，通过CVD技术沉积中等温度CVD(MT-CVD)碳氮化钛涂层。在MT-CVD碳氮化钛涂层的表面上，通过CVD技术沉积碳氮化钛涂层(在较高温度下沉积，例如950-1000℃)，并且该涂层可表征为HT-TiCN涂层。在HT-碳氮化钛涂层的表面上，通过CVD技术沉积氧碳氮化钛涂层(或TiCNO涂层)。用于沉积背衬涂层方案的这些涂层的工艺参数在表1-背衬涂层方案的工艺参数中列出。
对于图6的涂层方案，TiAl2O3涂层沉积在TiCNO涂层的表面上。TiAl2O3涂层通常根据表4的工艺参数来沉积。顶部两个涂层为沉积在TiAl2O3涂层的表面上的TiCN涂层，以及沉积在TiCN涂层的表面上的TiN涂层。用于TiCN层的工艺参数类似于表1中的用于HT-TiCN涂层的那些工艺参数，并且用于TiN的工艺参数类似于表1中的用于TiN涂层的那些工艺参数。
对于图7的涂层方案，TiAl2O3涂层沉积在TiCNO涂层的表面上。TiAl2O3涂层通常根据表4的工艺参数来沉积。Al2O3涂层沉积在TiAl2O3涂层的表面上。特定工艺参数选自表3中的不使用H2S沉积Al2O3涂层的那些工艺参数以及表2中的使用H2S沉积Al2O3涂层的那些工艺参数。TiAl2O3涂层沉积在Al2O3涂层的表面上。TiAl2O3涂层通常根据表4的工艺参数来沉积。顶部两个涂层为沉积在TiAl2O3涂层的表面上的TiCN涂层，以及沉积在TiCN涂层的表面上的TiN涂层。用于TiCN层的工艺参数类似于表1中的用于HT-TiCN涂层的那些工艺参数，并且用于TiN的工艺参数类似于表1中的用于TiN涂层的那些工艺参数。
期望的是，与多个薄的Al2O3涂层相比，使用Al2O3涂层和TiAl2O3涂层的交替涂层可影响晶粒生长动力学，从而导致晶界、化学和界面结构差异。
另外，期望的是，晶粒可具有不同的晶内区域，例如TiAl2O3晶内区域和Al2O3晶内区域。在晶粒中可存在从具有零钛的晶内区域到具有最大钛含量的另一个晶内区域的钛浓度梯度。还期望的是，在晶粒中可存在从具有零钛的晶内区域到具有最大钛含量的另一个晶内区域以及然后具有零钛的又一个晶内区域的钛浓度梯度。建议晶粒(例如，TiAl2O3)可从早期晶核生长，并保持生长直到Al2O3区域。
对于图8的涂层方案，Al2O3涂层沉积在TiCNO涂层的表面上。特定工艺参数选自表3中的不使用H2S沉积Al2O3涂层的那些工艺参数以及表2中的使用H2S沉积Al2O3涂层的那些工艺参数。TiAl2O3涂层沉积在Al2O3涂层的表面上。TiAl2O3涂层通常根据表4的工艺参数来沉积。Al2O3涂层沉积在TiAl2O3涂层的表面上，并且TiAl2O3涂层沉积在Al2O3涂层的表面上，并且另一个Al2O3涂层沉积在TiAl2O3涂层的表面上。顶部两个涂层为沉积在Al2O3涂层的表面上的TiCN涂层，以及沉积在TiCN涂层的表面上的TiN涂层。用于TiCN层的工艺参数类似于表1中的用于HT-TiCN涂层的那些工艺参数，并且用于TiN的工艺参数类似于表1中的用于TiN涂层的那些工艺参数。
对于图9的涂层方案，TiAl2O3涂层沉积在TiCNO涂层的表面上。TiAl2O3涂层通常根据表4的工艺参数来沉积。Al2O3涂层沉积在TiAl2O3涂层的表面上。特定工艺参数选自表3中的不使用H2S沉积Al2O3涂层的那些工艺参数以及表2中的使用H2S沉积Al2O3涂层的那些工艺参数。TiAl2O3涂层沉积在Al2O3涂层的表面上。TiAl2O3涂层通常根据表4的工艺参数来沉积。Al2O3涂层沉积在TiAl2O3涂层的表面上。顶部两个涂层为沉积在TiAl2O3涂层的表面上的TiCN涂层，以及沉积在TiCN涂层的表面上的TiN涂层。用于TiCN层的工艺参数类似于表1中的用于HT-TiCN涂层的那些工艺参数，并且用于TiN的工艺参数类似于表1中的用于TiN涂层的那些工艺参数。
应当理解，上述例子不包括所有可能的涂层方案，其包括TiAl2O3涂层。涂层序列可改变以使得TiAl2O3涂层被夹在Al2O3涂层之间，其中另外的变型形式包括使用H2S的Al2O3涂层和不使用H2S的Al2O3涂层。
图10和图11分别比较Al2O3涂层和TiAl2O3涂层的表面形态。TiAl2O3涂层的晶粒形态表现出较小的晶粒，而较大的晶粒由聚集的较小、较细的晶粒形成。Al2O3涂层具有更锐利的小平面化晶粒结构。
基于SEMEDS分析，TiAl2O3涂层中的钛含量在约0.01原子％至约2原子％的范围内
关于钛含量，在实例R1至R4中，TiCl4流的含量如下表7所示而改变。
表7：气体混合物中的TiCl 4 含量
实例 TiCl4流量百分比(体积％)
R1 0.08
R2 0.08
R3 0.12
R4 0.16
本文指出的专利和其他文献据此以引用方式并入本文。根据对本说明书的考虑或实施本文所公开的发明，本发明的其他实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。本说明书和实例仅是示例性的，无意限制本发明的范围。本发明的真实范围和精神由以下权利要求书指出。

Claims (26)

1.一种带涂层的切削刀片(20)，所述带涂层的切削刀片包括：
具有基底表面(24、26)的基底(22)；
所述基底表面(24、26)上的背衬涂层方案；以及
TiAl2O3涂层，其中使用化学气相沉积从包含AlCl3、H2、TiCl4、CO2和HCl的气体组合物沉积所述TiAl2O3涂层。
2.根据权利要求1所述的带涂层的切削刀片(20)，其中所述背衬涂层包括所述基底表面上的基础氮化钛涂层、所述基础氮化钛涂层上的MT-碳氮化钛涂层、所述MT-碳氮化钛涂层上的HT-碳氮化钛涂层，以及所述HT-碳氮化钛涂层上的氧碳氮化钛涂层。
3.根据权利要求2所述的带涂层的切削刀片(20)，还包括通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的内部氧化铝涂层，并且其中使用硫化氢沉积的所述内部氧化铝涂层在所述氧碳氮化钛涂层上。
4.根据权利要求3所述的带涂层的切削刀片(20)，其中所述TiAl2O3涂层在使用硫化氢沉积的所述内部氧化铝涂层上。
5.根据权利要求4所述的带涂层的切削刀片(20)，还包括通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的外部氧化铝涂层，并且通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的所述外部氧化铝涂层在所述TiAl2O3涂层上。
6.根据权利要求5所述的带涂层的切削刀片(20)，还包括外部涂层方案，所述外部涂层方案包括通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的所述外部氧化铝涂层上的碳氮化钛涂层以及所述外部碳氮化钛涂层上的外部氮化钛涂层。
7.根据权利要求6所述的带涂层的切削刀片(20)，其中所述基础氮化钛涂层的厚度等于约0.5μm至约0.7μm之间，所述MT-碳氮化钛涂层的厚度等于约9.2μm至约10μm之间，所述HT-碳氮化钛涂层的厚度等于约0.8μm至约1.3μm之间，通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的所述内部氧化铝涂层和通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的所述外部铝涂层以及所述TiAl2O3涂层的厚度加在一起介于约7.3μm至约11.2μm之间，并且所述外部含钛涂层方案的厚度介于约2μm至约2.6μm之间。
8.根据权利要求6所述的带涂层的切削刀片(20)，其中所述基础氮化钛涂层的厚度等于约0.05μm至约2.0μm之间，所述MT-碳氮化钛涂层的厚度等于约1.0μm至约25.0μm之间，所述HT-碳氮化钛涂层的厚度等于约0.05μm至约5.0μm之间，通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的所述内部氧化铝涂层和所述TiAl2O3涂层的厚度加在一起介于约0.5μm至约25.0μm之间，并且所述外部碳氮化钛涂层和所述外部氮化钛层的厚度加在一起介于约0.5μm至约5.0μm之间。
9.根据权利要求3所述的带涂层的切削刀片(20)，还包括通过化学气相沉积不使用硫化氢沉积的内部氧化铝涂层，并且通过化学气相沉积不使用硫化氢沉积的所述内部氧化铝涂层在使用硫化氢沉积的所述内部氧化铝涂层上。
10.根据权利要求9所述的带涂层的切削刀片(20)，其中所述TiAl2O3涂层在通过化学气相沉积不使用硫化氢沉积的所述内部氧化铝涂层上。
11.根据权利要求10所述的带涂层的切削刀片(20)，还包括通过化学气相沉积不使用硫化氢沉积的外部氧化铝涂层，并且通过化学气相沉积不使用硫化氢沉积的所述外部氧化铝涂层在所述TiAl2O3涂层上；以及通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的外部氧化铝涂层，并且通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的所述外部氧化铝涂层在通过化学气相沉积不使用硫化氢沉积的所述外部氧化铝涂层上。
12.根据权利要求11所述的带涂层的切削刀片(20)，还包括外部涂层方案，所述外部涂层方案包括通过化学气相沉积使用硫化氢沉积的所述外部氧化铝涂层上的碳氮化钛涂层以及所述外部碳氮化钛涂层上的外部氮化钛涂层。
13.根据权利要求2所述的带涂层的切削刀片(20)，其中所述TiAl2O3涂层在所述氧碳氮化钛涂层上，并且外部涂层方案包括所述TiAl2O3涂层上的外部碳氮化钛涂层，以及所述外部碳氮化钛涂层上的外部氮化钛涂层。
14.根据权利要求2所述的带涂层的切削刀片(20)，其中所述TiAl2O3涂层在所述氧碳氮化钛涂层上，氧化铝涂层在所述TiAl2O3涂层上，并且第二TiAl2O3涂层在所述氧化铝涂层上，并且外部涂层方案包括所述第二TiAl2O3涂层上的外部碳氮化钛涂层，以及所述外部碳氮化钛涂层上的外部氮化钛涂层。
15.根据权利要求14所述的带涂层的切削刀片(20)，其中最内侧TiAl2O3涂层在所述背衬涂层方案上。
16.根据权利要求14所述的带涂层的切削刀片(20)，其中最内侧氧化铝涂层在所述背衬涂层方案上，并且所述TiAl2O3-氧化铝涂层方案终止于最外侧氧化铝涂层。
17.一种用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，所述方法包括以下所述步骤：
提供具有基底表面(24、26)的基底(22)；
通过化学气相沉积将背衬涂层方案沉积在所述基底表面(24、26)上；以及
通过化学气相沉积从包含AlCl3、H2、TiCl4、CO2和HCl的气体组合物沉积TiAl2O3涂层。
18.根据权利要求17所述的用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，其中通过化学气相沉积来沉积TiAl2O3涂层的所述步骤在以下所述参数下进行：约950℃至约1050℃之间的温度，约50托至约100托之间的压力，以及约60分钟至约300分钟之间的持续时间。
19.根据权利要求17所述的用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，其中通过化学气相沉积来沉积TiAl2O3涂层的所述步骤在以下所述参数下进行：等于约985℃的温度，等于约60托的压力，以及等于约120分钟的持续时间。
20.根据权利要求17所述的用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，其中通过化学气相沉积来沉积TiAl2O3涂层的所述步骤使用包含约1.8体积％AlCl3、约91.5体积％H2、约0.08体积％TiCl4、约3.2体积％CO2以及约3.42体积％HCl的气体组合物。
21.根据权利要求17所述的用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，其中通过化学气相沉积来沉积TiAl2O3涂层的所述步骤使用包含约0.5至约2.5体积％AlCl3、约82.5至约98体积％H2、约0.01至约2.0体积％TiCl4、约0.5至约5.0体积％CO2以及约0.2至约8.0体积％HCl的气体组合物。
22.根据权利要求17所述的用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，还包括通过化学气相沉积将氧化铝涂层沉积在所述TiAl2O3涂层上的步骤。
23.根据权利要求22所述的用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，其中通过化学气相沉积将氧化铝涂层沉积在所述TiAl2O3涂层上的所述步骤使用硫化氢，并且在以下所述参数下进行：约950℃至约1050℃之间的温度，约50托至约100托之间的压力，以及约60分钟至约300分钟之间的持续时间。
24.根据权利要求22所述的用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，其中通过化学气相沉积将氧化铝涂层沉积在所述TiAl2O3涂层上的所述步骤不使用硫化氢，并且在以下所述参数下进行：约950℃至约1050℃之间的温度，约50托至约10托之间的压力，以及约10分钟至约60分钟之间的持续时间。
25.一种用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，所述方法包括以下所述步骤：
提供具有基底表面(24、26)的基底(22)；
通过化学气相沉积将背衬涂层方案沉积在所述基底表面(24、26)上；以及
通过化学气相沉积来沉积包含TiAl2O3涂层和氧化铝涂层的交替涂层的TiAl2O3-氧化铝涂层方案，使用化学气相沉积从包含AlCl3、H2、TiCl4、CO2和HCl的气体组合物沉积所述TiAl2O3涂层。
26.根据权利要求25所述的用于制备带涂层的切削刀片(20)的方法，其中通过化学气相沉积从包含AlCl3、H2、CO2和HCl以及任选地包含H2S的气体组合物沉积所述氧化铝涂层。
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