CN105734505B - 一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法，属于难加工材料切削用刀具保护涂层技术领域，钛合金切削用复合功能刀具涂层包括底层涂层和顶层涂层，其制备方法包括：(1)刀具基体的预处理；(2)刀具基体辉光溅射清洗；(3)底层涂层的制备；(4)顶层涂层的制备；(5)降温取出刀具。本发明所制备的刀具涂层能够有效降低钛合金切削加工时涂层与工件材料之间的粘结现象，并能有效延长涂层刀具的使用寿命，使用所制备的刀具涂层非常适合加工钛及其合金，涂层兼具耐磨性高、抗氧化性优良和与钛及其合金粘结性小的特点。

Description

一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于难加工材料切削用刀具保护涂层技术领域，特别涉及一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法。
背景技术
钛合金属于高强轻质材料，拥有良好的耐热性和耐腐蚀性能，在航空、航天、汽车、化学及生物等领域有着广泛的应用。特别是在航空航天领域，钛合金材料的应用比例成逐年增加的趋势。用钛合金材料制造飞机零部件，不仅可以延长飞机使用寿命，而且可以减轻其重量，降低燃料消耗，从而大大提高其飞行性能。
然而钛合金优异的性能也导致其可加工性非常差，其中钛合金材料较低的热导率、较大的化学反应活性以及较低的弹性模量是造成钛合金切削加工困难的主要原因。尤其是钛合金材料的化学活性大，特别当温度超过500℃时，钛合金会变得异常活跃，其会与切削刀具材料发生化学反应，造成严重的粘刀现象，进而导致刀具磨损情况加剧，减少切削刀具的使用寿命。
目前，国内外用来切削加工钛合金的刀具材料主要包括涂层和未涂层硬质合金、立方氮化硼和聚晶金刚石等。其中，立方氮化硼和聚晶金刚石刀具由于价格过于高昂，制约了其钛合金切削应用；未涂层硬质合金刀具低速切削钛合金时拥有较好的切削效果，高速切削效果不理想；涂层硬质合金刀具兼具基体良好的硬度和韧性，同时表面涂覆一层或多层耐磨损、耐高温和抗氧化的涂层，能有效的切削加工钛合金，因而应用范围最广。但是，目前用于钛合金切削的商业化刀具涂层(如TiCN、TiAlN、TiAlSiN等)在切削加工时，都容易与钛及其合金发生粘结反应，造成粘刀现象严重，在切削界面处形成切屑瘤。这些切屑瘤在后续的切削中会脱离刀具，同时带走部分刀具材料，加剧刀具的磨损。综上所述，需要开发一种与钛合金粘结反应活性小的刀具涂层，从而降低钛及其合金切削时的粘刀现象，降低刀具的磨损量，延长刀具的使用寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法。本发明所制备的刀具涂层能够有效降低钛合金切削加工时涂层与工件材料之间的粘结现象，并能有效延长涂层刀具的使用寿命，使用所制备的刀具涂层非常适合加工钛及其合金。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为10～40at.％，铝为5～20at.％，钽为2～18at.％，氮为40.16～55at.％，厚度为1～4μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为50～78.02at.％，钽为8～35at.％，铝0～10at.％，钛0～10at.％，厚度为50～1500nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在80～150℃下烘干5～15min，放入真空室；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至350～500℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为0.5～2Pa，在加脉冲负偏压500～1000V，占空比20～80％的条件下，辉光溅射清洗15～30min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为20～50sccm的N2气，同时调节Ar气流量为30～50sccm，温度为400～500℃，负偏压为20～180V，真空度为0.3～0.9Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为150～300nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用方法(1)或方法(2)，制备底层涂层：
(1)采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为1～4μm底层涂层；
(2)采用钛铝合金靶材和纯钽靶材共溅射的方法，制备厚度为1～4μm底层涂层；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为15～50sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽合金靶材或纯钽靶材，沉积厚度为50～1500nm的顶层涂层；
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
所述的步骤1中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为400～600目的氧化铝磨料20～35％，防锈剂1～15％，水50～79％；喷砂压力0.5～0.8MPa，喷砂时间10～20min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗至少5min，然后用清水清洗至少5min。
所述的步骤3方法(1)中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛为20～70at.％，铝为5～50at.％，钽为5～35at.％；步骤3方法(2)中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛为20～80at.％，铝为20～80at.％。
所述的步骤4中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛5～35at.％，铝5～35at.％，钽30～90at.％。
本发明的一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法，与现有技术相比，有益效果是：
1.本发明提供一种在切削钛合金材料时，降低刀具材料和工件之间粘结性的复合功能刀具涂层及其制备方法；本发明所制得的涂层刀具能够有效降低钛合金切削加工时涂层与工件材料之间的粘结现象，并能有效延长涂层刀具的使用寿命，使用所制备的刀具涂层非常适合加工钛及其合金；
2.本发明的一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法，制备的涂层包括具有高硬度和抗氧化性能的底层涂层和与钛及其合金反应活性小的TaO氧化物功能涂层；底层涂层既能够是单层均匀的涂层，也能够是梯度涂层；功能涂层，既可以沉积在上述底层涂层上，也可以沉积在其它耐磨刀具涂层之上，都能起到降低粘结现象，降低磨损量，延长刀具使用寿命的作用；
3.本发明的一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法，是在对刀具进行预处理后在刀具基上进行复合功能刀具涂层的沉积，通过这种方法制得的涂层刀具，基体材料和复合功能刀具涂层之间的匹配性良好，使涂层兼具耐磨性高、抗氧化性优良和与钛及其合金粘结性小的特点；经钛合金切削实验测定，通过本发明所制备的复合功能刀具涂层刀具能够显著的降低涂层刀具和工件材料之间的粘结，降低涂层刀具的磨损量，延长刀具的使用寿命。
4.本发明的一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法，容易实施，且成本低廉，效果好。
附图说明
图1为本发明实施例制备的复合功能刀具涂层的截面结构示意图；其中，1-刀具基体；2-底层涂层；3-氧化物功能层；
图2为本发明实施例8制备的具有TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层的刀具和对比例1制备的具有单层TiAlTaN涂层的刀具的刀面磨损量与切削长度的关系图；
图3为本发明实施例8制备的具有TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层的刀具和对比例1制备的具有单层TiAlTaN涂层的刀具的磨损形貌照片；其中，(a)为对比例1制备的具有单层TiAlTaN涂层刀具的磨损形貌照片；(b)为实施例8制备的具有复合功能刀具涂层的刀具的磨损形貌照片；4-粘结物；5-刀具材料脱落处；
图4为本发明实施例8制备的具有TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层的刀具和对比例1制备的具有单层TiAlTaN涂层刀具的摩擦磨损实验曲线；
图5为本发明对比例2制备的具有TiAlSiN/TaO复合功能刀具涂层的刀具和对比例3制备的具有TiAlSiN涂层的刀具的后刀面磨损量柱状图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为30.01at.％，铝为20at.％，钽为4.43at.％，氮为45.56at.％，厚度为2.7μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为71.02at.％，钽为22.53at.％，铝2.25at.％，钛4.20at.％，厚度为150nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在150℃下烘干15min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为600目的氧化铝磨料32％，防锈剂2％，水66％；喷砂压力0.5MPa，喷砂时间20min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗10min，然后用清水清洗5min；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至500℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为2Pa，在加脉冲负偏压1000V，占空比20％的条件下，辉光溅射清洗30min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为25sccm的N2气，同时调节Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为180V，真空度为0.6Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为300nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为2.7μm底层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛为56at.％，铝为36at.％，钽为8at.％；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为15sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为150nm的顶层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛12at.％，铝8at.％，钽80at.％。
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用复合功能刀具涂层的结构如图1所示。
实施例2
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为30.01at.％，铝为19.12at.％，钽为4.31at.％，氮为46.56at.％，厚度为2.7μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为70at.％，钽为25.76at.％，铝2.09at.％，钛2.15at.％，厚度为300nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在150℃下烘干15min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为400目的氧化铝磨料20％，防锈剂15％，水65％；喷砂压力0.8MPa，喷砂时间20min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗10min，然后用清水清洗5min；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至500℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为2Pa，在加脉冲负偏压1000V，占空比50％的条件下，辉光溅射清洗30min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为30sccm的N2气，同时调节Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为180V，真空度为0.65Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为300nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为2.7μm底层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛为70at.％，铝为5at.％，钽为25at.％；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为50sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为300nm的顶层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛5at.％，铝5at.％，钽90at.％。
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用复合功能刀具涂层的结构如图1所示。
实施例3
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为14.39at.％，铝为15.12at.％，钽为18at.％，氮为52.49at.％，厚度为4μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为78.02at.％，钽为17.53at.％，铝2.15at.％，钛2.3at.％，厚度为150nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在150℃下烘干15min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为600目的氧化铝磨料35％，防锈剂1％，水64％；喷砂压力0.5MPa，喷砂时间20min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗5min，然后用清水清洗5min；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至500℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为2Pa，在加脉冲负偏压1000V，占空比20％的条件下，辉光溅射清洗30min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为25sccm的N2气，同时调节Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为180V，真空度为0.6Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为300nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用钛铝合金靶材和纯钽靶材共溅射的方法，沉积厚度为4μm底层涂层；其中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛为50at.％，铝为50at.％；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为15sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为150nm的顶层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛7at.％，铝8at.％，钽85at.％。
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用复合功能刀具涂层的结构如图1所示。
实施例4
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为39.92at.％，铝为6.12at.％，钽为13.8at.％，氮为40.16at.％，厚度为1μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为75.8at.％，钽为8at.％，铝10at.％，钛6.2at.％，厚度为1000nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在80℃下烘干10min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为400目的氧化铝磨料20％，防锈剂1％，水79％；喷砂压力0.8MPa，喷砂时间10min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗10min，然后用清水清洗5min；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至350℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为0.5Pa，在加脉冲负偏压500V，占空比80％的条件下，辉光溅射清洗15min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为50sccm的N2气，同时调节Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为180V，真空度为0.9Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为150nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用钛铝合金靶材和纯钽靶材共溅射的方法，沉积厚度为1μm底层涂层；其中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛为20at.％，铝为80at.％；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为50sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为1000nm的顶层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛29at.％，铝35at.％，钽36at.％。
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用复合功能刀具涂层的结构如图1所示。
实施例5
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为23at.％，铝为20at.％，钽为2at.％，氮为55at.％，厚度为4μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为60.79at.％，钽为35at.％，铝2.02at.％，钛2.19at.％，厚度为50nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在80℃下烘干15min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为600目的氧化铝磨料35％，防锈剂15％，水50％；喷砂压力0.5MPa，喷砂时间20min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗20min，然后用清水清洗5min；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至500℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为0.5Pa，在加脉冲负偏压500V，占空比80％的条件下，辉光溅射清洗15min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为25sccm的N2气，同时调节Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为180V，真空度为0.6Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为300nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为4μm底层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛为50at.％，铝为45at.％，钽为5at.％；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为15sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为50nm的顶层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛35at.％，铝35at.％，钽30at.％。
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用复合功能刀具涂层的结构如图1所示。
实施例6
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为10at.％，铝为20at.％，钽为15.22at.％，氮为54.78at.％，厚度为3μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为72.08at.％，钽为8at.％，铝为10at.％，钛为9.92at.％，厚度为50nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在150℃下烘干5min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为600目的氧化铝磨料32％，防锈剂2％，水66％；喷砂压力0.8MPa，喷砂时间15min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗8min，然后用清水清洗8min；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至500℃后，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为2Pa，在加脉冲负偏压1000V，占空比20％的条件下，辉光溅射清洗30min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为20sccm的N2气，同时调节Ar气流量为30sccm，温度为500℃，负偏压为20V，真空度为0.3Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为200nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为3μm底层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数为，钛为20at.％，铝为45at.％，钽为35at.％；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为15sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽靶材，沉积厚度为50nm的顶层涂层；其中，钛铝钽靶材的成分，按原子百分数比为，钛为35at.％，铝为25at.％，钽为40at.％；
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用复合功能刀具涂层的结构如图1所示。
实施例7
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为40at.％，铝为5.12at.％，钽为13.8at.％，氮为41.08at.％，厚度为1μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为50at.％，钽为30at.％，铝10at.％，钛10at.％，厚度为1500nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在150℃下烘干5min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为600目的氧化铝磨料32％，防锈剂2％，水66％；喷砂压力0.8MPa，喷砂时间10min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗10min，然后用清水清洗10min；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至400℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为0.5Pa，在加脉冲负偏压500V，占空比80％的条件下，辉光溅射清洗15min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为25sccm的N2气，同时调节Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为180V，真空度为0.6Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为300nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为1μm底层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛为68at.％，铝为8at.％，钽为24at.％；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为15sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为1500nm的顶层涂层；其中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛20at.％，铝30at.％，钽50at.％。
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用复合功能刀具涂层的结构如图1所示。
实施例8
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为40at.％，铝为5.12at.％，钽为13.8at.％，氮为41.08at.％，厚度为1μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为75.2at.％，钽为24.8at.％，厚度为150nm。
一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在150℃下烘干5min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为600目的氧化铝磨料32％，防锈剂2％，水66％；喷砂压力0.8MPa，喷砂时间10min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗10min，然后用清水清洗10min；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至350℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为0.5Pa，在加脉冲负偏压500V，占空比80％的条件下，辉光溅射清洗15min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为25sccm的N2气，同时调节Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为180V，真空度为0.6Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为300nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用钛铝合金靶材和纯钽靶材共溅射的方法，沉积厚度为1μm底层涂层；其中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛为80at.％，铝为20at.％；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为15sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用纯钽靶材，沉积厚度为150nm的顶层涂层；
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用复合功能刀具涂层的结构如图1所示。
对比例1
本实施例采用的涂层为单层TiAlTaN涂层，所含元素按原子百分数为，钛为40at.％，铝为5.12at.％，钽为13.8at.％，氮为41.08at.％，厚度为1μm；
单层TiAlTaN涂层的制备方法，步骤包括实施例8的步骤1、步骤2、步骤3和步骤5。
对比例2
国外TiAlSiN/TaO复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层为国外某涂层公司生产的TiAlSiN涂层：所含元素按原子百分数为，钛为31.02at.％，铝为13.66at.％，硅为2.88at.％，氮为52.44at.％，厚度为1.8μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为75.2at.％，钽为24.8at.％，厚度为150nm。
国外TiAlSiN/TaO复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在150℃下烘干15min，放入真空室；其中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为600目的氧化铝磨料32％，防锈剂2％，水66％；喷砂压力0.5MPa，喷砂时间20min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗10min，然后用清水清洗5min
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至500℃后，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为2Pa，在加脉冲负偏压1000V，占空比20％的条件下，辉光溅射清洗30min；
步骤3，底层涂层的制备：
该步骤委托国外涂层厂商进行涂层，所使用的方法为磁控溅射；该涂层主要含Ti、Al、Si、N四种元素，硬度为3500HV，摩擦系数为0.4，外观颜色为深黄铜色；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，向真空室中通入流量为25sccm的高纯O2气，35sccm的高纯O2气，真空度为0.5Pa，负偏压为180V，采用纯钽靶材，沉积厚度为150nm的顶层涂层；
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
对比例3
国外某涂层公司生产的单层TiAlSiN涂层，所含元素按原子百分数为，钛为31.02at.％，铝为13.66at.％，硅为2.88at.％，氮为52.44at.％，厚度为1.8μm。
国外某涂层公司生产的单层TiAlSiN涂层的制备方法，步骤包括对比例2的步骤1、步骤2、步骤3和步骤5。
本发明中所述的制备复合功能刀具涂层的物理气相沉积方法与化学气相沉积方法的实施过程及前处理均为现有技术，再次不在复述。
钛合金切削实验
1.实验设备及材料
实验采用MAZAK200Y5轴联动卧式车铣加工中心来进行钛合金TC4切削实验，该中心主轴最大转速为10000r/min，额定功率可达22.35kW。
实验所用TC4棒料是一种典型的α+β双相合金，屈服强度为834MPa，硬度36HRC，弹性模量114GPa，密度和热导率分别为4430kg/m3和6.7w/(m·k)。
实验所用到的切削刀具分别为：
涂层刀具a：对比例1中制备的单层TiAlTaN涂层刀具，采用YG8硬质合金作为刀具基体(刀片型号为CNMG120408)，在对刀具基体进行预处理后通过物理气相沉积技术在刀具基体上相继沉积Ti过渡层、TiAlTaN涂层，条件同实施例8步骤3中的TiAlTaN底层的制备方法；
涂层刀具b：实施例8中制备的TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层刀具，采用YG8硬质合金作为刀具基体(刀片型号为CNMG120408)，在对刀具基体进行预处理后通过物理气相沉积技术在刀具基体上相继沉积Ti过渡层、TiAlTaN底层涂层和TaO功能层；
涂层刀具c：对比例3中制备的国外TiAlSiN涂层刀具，采用YG8硬质合金作为刀具基体(刀片型号为CNMG120408)，委托国外知名涂层厂商进行TiAlSiN涂层的制备；
涂层刀具d：对比例2中制备的国外TiAlSiN/TaO复合功能刀具涂层刀具，采用YG8硬质合金作为刀具基体(刀片型号为CNMG120408)，委托国外知名涂层厂商进行TiAlSiN涂层的制备，然后采用物理气相沉积技术在TiAlSiN涂层之上继续沉积一层TaO涂层。
YG8刀具基体表面先涂Ti过渡层的原因：有利于涂层与硬质合金基体的物理化学的过渡匹配性，更利于涂层的结合力。
2.实验步骤
实验采用湿式车削的方式，切速Vc＝100m/min，切深ap＝0.5mm，每转进给量fa＝0.2mm/r。在切削过程中，切削距离达到一定长度时，采用奥林巴斯光学显微镜对涂层的后刀面的磨损量进行观测。
3.实验结果与讨论
车削钛合金速度为100m/min时，实施例8制备的具有TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层的刀具和对比例1制备的具有单层TiAlTaN涂层的刀具的刀面磨损量与切削长度的关系图如图2所示，以刀具后刀面磨损量达0.3mm时刀具的切削长度作为评价涂层刀具切削性能的标准。从图中可以看出，当后刀面磨损量达到0.3mm时，TiAlTaN涂层刀具的切削长度为110m，而TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层刀具的切削长度可提高到约340m，复合功能刀具涂层的切削性能提高3倍多，涂层刀具的切削性能明显提高。可见，本发明所制备的复合功能刀具涂层有利于降低刀具的磨损量，提高刀具的使用寿命。
图3为实施例8制备的具有TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层的刀具和对比例1制备的具有单层TiAlTaN涂层的刀具的磨损形貌照片，从图中可以看出两种涂层刀具都发生了不同程度的粘结磨损现象。图3(a)为对比例1制备的具有单层TiAlTaN涂层的刀具的磨损形貌照片；如图3(a)中虚线框所示，TiAlTaN涂层刀具刀尖处存在大量的粘结物，EDX能谱分析结果显示其主要成分为Ti、Al、V、W、C、O等，说明这些粘结物主要为切削时刀具材料和钛合金工件发生化学反应，粘结造成的。这些粘结物又叫切削瘤，会随着切削的进行连同部分刀具材料一同剥落，造成刀具的磨损，如图3(a)中虚线所示的区域的放大图中5所指示的位置。
图3(b)为实施例8制备的具有TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层的刀具的磨损形貌照片；TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层刀具切削钛合金之后，刀尖处的粘结物较少，如图3(b)中虚线框所示。EDX能谱分析结果显示该大块粘结物的主要成分为Ti、V、C、O、Al、Fe、W等，说明该粘结物为刀具材料和钛合金工件发生粘结反应之后形成的。造成TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层刀具刀尖处粘结较少的原因可能是由于TaO功能层的加入，降低了涂层与钛合金之间的粘结和反应，使刀尖处不容易粘结工件材料。
实施例8制备的具有TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层的刀具和对比例1制备的具有单层TiAlTaN涂层刀具的摩擦磨损实验曲线如图4所示，TiAlTaN/TaO复合功能刀具涂层的摩擦系数较TiAlTaN单层涂层有所降低，这也使刀尖处不容易形成大块粘结物。
经测试上述表面氧化物功能涂层也可以应用于现有的其它刀具涂层之上，如TiAlN、TiAlSiN、CrAlN等，但不局限于这些刀具涂层。本发明的表面功能涂层具有扩展性，涂覆于其它现有涂层上也能起到降低钛合金切削时刀具的磨损量，提高刀具寿命。
在切速Vc＝100m/min，切深ap＝0.5mm，每转进给量fa＝0.2mm/r等条件相同的情况下，切削547m后，对比例2制备的具有TiAlSiN/TaO复合功能刀具涂层的刀具和对比例3制备的具有TiAlSiN涂层的刀具的后刀面磨损量柱状图如图5所示。从图中可以看出，添加了TaO表面功能层的国外TiAlSiN涂层刀具的磨损量仅为普通国外TiAlSiN涂层刀具磨损量的一半，复合功能刀具涂层刀具的钛合金切削性能提高了约两倍。这意味着表面氧化物功能涂层应用于其它现有刀具涂层也可以取得良好的切削效果，降低涂层刀具的磨损量。

Claims (4)

1.一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，其特征在于，包括底层涂层和顶层涂层：
底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为10～40at.％，铝为5～20at.％，钽为2～18at.％，氮为40.16～55at.％，厚度为1～4μm；
顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为50～78.02at.％，钽为8～35at.％，厚度为50～1500nm。
2.权利要求1所述的钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，刀具基体的预处理：
对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在80～150℃下烘干5～15min，放入真空室；
步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：
当真空室的真空度大于等于3×10-3Pa时，升温至350～500℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为0.5～2Pa，在加脉冲负偏压500～1000V，占空比20～80％的条件下，辉光溅射清洗15～30min；
步骤3，底层涂层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为20～50sccm的N2气，同时调节Ar气流量为30～50sccm，温度为400～500℃，负偏压为20～180V，真空度为0.3～0.9Pa；
在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为150～300nm的纯Ti过渡层；
沉积条件不变，采用方法(1)或方法(2)，制备底层涂层：
(1)采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为1～4μm底层涂层；
(2)采用钛铝合金靶材和纯钽靶材共溅射的方法，制备厚度为1～4μm底层涂层；
步骤4，顶层涂层的制备：
底层涂层制备完毕后，关闭N2气，向真空室中通入流量为15～50sccm的高纯O2气，真空度和负偏压不变，采用纯钽靶材，沉积厚度为50～1500nm的顶层涂层；
步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。
3.根据权利要求2所述的钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，湿喷砂处理所用喷砂，成分按质量百分含量为：粒度为400～600目的氧化铝磨料20～35％，防锈剂1～15％，水50～79％；喷砂压力0.5～0.8MPa，喷砂时间10～20min；刀具基体清洗过程为：先采用商业成品清洗剂对刀具基体进行清洗至少5min，然后用清水清洗至少5min。
4.根据权利要求2所述的钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤3方法(1)中，钛铝钽合金靶材成分，按原子百分数，钛为20～70at.％，铝为5～50at.％，钽为5～35at.％；步骤3方法(2)中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛为20～80at.％，铝为20～80at.％。
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GR01 Patent grant
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Application publication date: 20160706

Assignee: Haining Riley Coating Tool Co., Ltd.

Assignor: Northeastern University

Contract record no.: 2018210000013

Denomination of invention: Complex-function cutter coating for cutting titanium alloy and preparation method thereof

Granted publication date: 20171229

License type: Common License

Record date: 20180510

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Application publication date: 20160706

Assignee: Shenyang ruiyide Coating Technology Co.,Ltd.

Assignor: Northeastern University

Contract record no.: X2021210000026

Denomination of invention: A composite functional tool coating for cutting titanium alloy and its preparation method

Granted publication date: 20171229

License type: Common License

Record date: 20210524

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