CN106835031B - 离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的方法，将高温合金切削刀具预处理后放入离子源增强电弧离子镀膜设备的真空室中的转架杆上，以矩形电弧Ti靶作为底层的Ti来源，通过调整电弧Ti靶的电流控制电弧Ti靶的溅射率；以圆形电弧CrAl靶作为制备CrAlN涂层的Cr、Al元素来源，通过调整电弧CrAl靶的电流控制电弧CrAl靶的溅射率；将高纯Ar和高纯N₂通过离子源进入真空室，其中，Ar作为离化气体，保证有效的辉光放电过程；N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al元素结合，在高温合金切削刀具表面沉积形成CrAlN涂层，所制备的CrAlN涂层，其抗氧化温度为1000℃，显微硬度Hv3500，能很好满足高温合金切削刀具的耐磨损性能、抗热疲劳性能和抗氧化性能要求。

Description

离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的方法

技术领域

本发明属于刀具涂层技术领域，具体涉及一种离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的新方法。

背景技术

近年来先进航空发动机的叶片、盘轴、机匣等主要结构件，大量采用新型超高强耐高温合金，这给刀具切削加工增加了更大的难度，对切削技术也提出了更高的要求。以涡轮机匣零件为例，铁基、镍基和钴基高温合金等难加工材料大量采用。这些难加工材料导热系数小，比强度大，切削温度高，易产生加工硬化，特别是镍基高温合金的高硬度、高强度和良好塑性，致使它的可切削性较差，其难加工特性主要表现为：切削力一般为钢件的1.5-2倍，切削温度约为钢的2倍；材料导热系数低，切削热集中在刀尖，不易散出。另外，切削产生的高温使刀具发生严重的扩散磨损、氧化磨损和粘结磨损等，导致切削时刀具磨损快，使用寿命短。因此，针对高温合金等难加工材料的刀具设计、选材及切削工艺开发显得尤为重要和迫切。

航空高温合金的切削刀具基体选材，一般应满足耐磨性好、抗氧化、耐高温和抗冲击能力强等特性，常见的有硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具等，经过几十年发展，刀具基体材料的相关技术研发已日趋成熟，基材所能发挥的作用几乎被挖掘到极致。当然，决定刀具切削性能的因素除了刀具材料，刀具空间几何结构的设计直接影响到切削热的大小、切屑的流向和形状、已加工表面质量、切削分力的大小等，但经过多年研发积累已无进一步优化设计的空间。在这种情况下，刀具表面涂层技术则显示出巨大的应用前景，已经并将继续成为刀具制造领域的革命性技术手段。

所谓刀具涂层技术是指在要求耐磨损、耐高温的切削刀具表面，利用真空气相沉积方法制备一层约2-5微米的超硬涂层，与刀具基体一起形成表层复合材料。相比刀具基体材料，该表面涂层材料一般具有高硬度，不易磨损和抗氧化及抗耐腐蚀的优异性能，可以显著提高刀具基体的耐磨损、耐腐蚀和抗氧化性能，使刀具的服役性能改善，加工效率提高，使用寿命延长，且生产成本远比同样性能的基体材料的价格低。因此，凡要求耐磨损、耐腐蚀和抗氧化的刀具，均需进行涂层加工处理。目前，刀具涂层已在航空、兵器、汽车、机械、电子等行业得到广泛应用。刀具涂层技术的发展起步于上世纪80年代，早期主要是耐磨损的TiN、TiC涂层等，进入90年代研发成功抗氧化的TiAlN涂层，进入21世纪又发展出超硬的TiSiN、TiAlSiN涂层，以及最新出现的高温性能优异的CrAlN涂层。

近年来以高速切削、干切削等为代表的新型切削工艺显示出强大的生命力，正成为提高航空零部件切削加工效率和质量、降低成本和提倡绿色加工的主要技术手段。高速切削(大于50米/分钟)工艺的优点主要表现在，加工表面质量可以提高1-2级，可获得相当于磨削加工的表面粗糙度；允许进给速度提高5-10倍，切削速度提高15％-20％,高速切削可降低制造成本20％～40％。干切削(无冷却液，也成绿色切削)工艺的优点是降低能源消耗，减少废气、废渣、废液的排放等。

刀具要实现高速切削和干切削，其刀具表面必须采用抗氧化和高温红硬性很好的超硬涂层。这是因为，高速切削工艺进刀量大、温度高，现有基体材料难以匹配高速切削性能要求；而干切削过程因无冷却液和润滑液，对刀具的耐高温性能要求更高，这些都需要刀具表面的高性能涂层来满足。因此，离开高性能的涂层设计及实现，高速切削和干切削等先进切削工艺就无从谈起。近十年来，已在工业生产中成功应用的刀具涂层有TiN、CrN、TiC、TiCN等。这类涂层硬度高，耐磨性好，但高温性能仅能到550℃左右，只能用于碳钢、不锈钢和有色金属的切削加工，难以用于高温合金的切削加工。TiAlN涂层虽然最高耐温可以达到850℃，但超过900℃后抗氧化性能会明显下降。

近年来，国外出现了一种新的CrAlN刀具涂层，也称无钛涂层，抗氧化温度可以达到1000℃以上，耐磨损性能也很优异，特别适合航空高温合金刀具切削加工应用。CrAlN涂层优良的抗氧化性能可归功于，高温时涂层表面的部分Al氧化后，在切屑/刀具界面形成Al₂O₃薄膜，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。另外，含Cr的CrAlN涂层的表面摩擦系数降低，通过减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。CrAlN涂层刀具既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。因此，CrAlN涂层在连续干切削时，优于TiN、CrN、TiC、TiAlN等传统刀具涂层，具有巨大的工业应用潜力。

目前刀具涂层制备主要采用电弧离子镀方法，该方法的优点是靶材离化率高、沉积速率快、结合性能好，但电弧放电过程中从靶材溅射下来的金属液滴较大，涂层结构较为疏松，表面粗糙度较差，会影响涂层刀具的切削性能和使用寿命。

发明内容

基于传统刀具涂层耐磨损性能及抗氧化性能的不足，本发明的目的在于，提供一种离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的新方法，采用该方法在刀具表面制备CrAlN涂层，特别适合于高速切削和干切削等严酷服役条件下的航空高温合金切削刀具。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的方法，其特征在于，按下列步骤进行：

1)将高温合金切削刀具预处理后放入离子源增强电弧离子镀膜设备的真空室中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性；

2)以安置在炉体左内壁上的矩形电弧Ti靶作为底层的Ti来源，通过调整电弧Ti靶的电流控制电弧Ti靶的溅射率；以三个均匀布置在炉体右内壁上的圆形电弧CrAl靶作为制备CrAlN涂层的Cr、Al元素来源，其中，Cr、Al元素的原子成分比例为Cr/Al＝70/30，通过调整电弧CrAl靶的电流控制电弧CrAl靶的溅射率；将高纯Ar和高纯N₂通过离子源进入真空室，其中，Ar作为离化气体，保证有效的辉光放电过程；N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al元素结合，在高温合金切削刀具表面沉积形成CrAlN涂层；

3)制备工艺条件：

A)高温合金切削刀具的离子源增强等离子体轰击清洗：

高温合金切削刀具装入真空室后，抽真空并加热到500℃不变，镀膜前，通入10ml/min的Ar经过离子源进入到真空室，当真空室气压达到3Pa时，开偏压至-800V对真空室的高温合金切削刀具表面进行轰击清洗，持续10分钟；

B)Ti底层制备：

高温合金切削刀具清洗完成后，调节Ar流量到5ml/min，离子源功率1.5KW，将真空室气压调至0.3Pa，打开矩形电弧Ti靶电源，弧电流150A，调整偏压到-200V，制备Ti底层，持续10分钟；

C)CrAlN涂层制备：

Ti底层制备完成后，将偏压调整为-150V，将离子源功率调整为2.0KW，打开N₂开关，N₂经过离子源进入到真空室，调整N₂流量使真空室气压为0.3Pa，将矩形电弧Ti靶关闭，将圆形电弧CrAl靶打开，电流为90A，开始在Ti底层上制备CrAlN涂层，镀膜过程中真空室温度由加热器加热维持为500℃，持续60分钟；镀膜结束后关闭加热器，当真空室温度降到100℃以下时，取出带有CrAlN涂层的高温合金切削刀具。

本发明的离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的方法，其技术创新突破上主要体现在：

1、将阳极层矩形气体离子源引入到电弧离子镀中，解决了工件表面镀膜之前的高效快速轰击清洗和刻蚀，涂层结合力大幅提高。同时，在镀膜过程中始终使离子源处于工作状态，保证了膜层的细腻和致密，涂层的耐磨性和抗氧化性能随之显著提高。

2、制备的CrAlN涂层，其抗氧化温度为1000℃，显微硬度Hv3500，能很好满足刀具的耐磨损性能、抗热疲劳性能和抗氧化性能要求，特别适合于高温、高速等严酷服役条件下的航空高温合金切削刀具的表面涂层要求。

附图说明

图1为离子源增强电弧离子镀膜设备结构示意图。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

申请人在研究时发现，在传统电弧离子镀方法中引入气体离子源，利用高能气体放电刻蚀工件表面，能够显著提高其结合力。同时，利用离子源的增强轰击协同效应，提高了真空室内等离子体密度和反应气体的离化效果，涂层微观粒子显著细化，从而可以大幅改善涂层的致密结构和抗氧化性能。因此，如果用于制备刀具涂层，有望很好的满足航空高温合金刀具的严酷切削条件和使用效果。

本实施例给出一种离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的方法，在硬质合金刀具表面制备耐磨损、抗氧化CrAlN涂层，具体制备过程是：

(1)采用商业购置的YG6碳化钨硬质合金切削刀片作为样品(刀片材料成分，WC：94wt.％，Co：6wt.％，硬度HRA89)。

样品预处理：表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，酒精脱水。

(2)如图1所示，电弧离子镀膜设备至少包括外加电源偏压1、转台架2、真空室3、转架杆4、矩形电弧Ti靶5、永磁体6、圆形电弧CrAl靶(7、8、9)(粉末冶金电弧靶，其中Cr、Al元素的原子成分比例为Cr/Al＝70/30)、加热器10、泵组11、离子源12。将预处理好的样品放入离子源增强电弧离子镀膜设备的真空室5内的转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动，也可以自转。

(3)采用840×140×10mm的矩形电弧Ti靶5作为Ti底层的Ti来源，通过调整矩形电弧Ti靶5的电流控制电弧Ti靶5的溅射率；采用直径尺寸为65mm的圆形电弧CrAl靶(7、8、9)作为制备CrAlN涂层的Cr、Al元素的来源，如图1所示，三个圆形电弧CrAl靶以均布的方式布置在炉体右内壁上，并通过调整圆形电弧CrAl靶的电流控制电弧CrAl靶(7、8、9)的溅射率；高纯Ar和高纯N₂通过离子源12进入真空室3，高纯Ar作为离化气体，保证有效的辉光放电过程，高纯N₂作为反应气体，使其离化并与CrAl靶溅射下来的Cr、Al粒子结合，在样品表面沉积形成CrAlN涂层。

(4)优化工艺条件为：

A)样品的离子源增强等离子体轰击清洗：

样品装入真空室3内的转架杆4上，对真空室3抽真空并加热到500℃不变，镀膜前，通入10ml/min的Ar经过离子源进入到真空室3，当真空室3气压达到3Pa时，开偏压至-800V对真空室3的样品表面进行轰击清洗，持续10分钟；

B)Ti底层制备：

样品清洗完成后，调节Ar流量到5ml/min，离子源功率1.5KW，将真空室3气压调至0.3Pa，打开矩形电弧Ti靶电源，电流150A，调整偏压到-200V，制备Ti底层，持续10分钟；

C)CrAlN涂层制备：

Ti底层制备完成后，将偏压调整为-150V，将离子源功率调整为2.0KW，打开N₂开关，N₂经过离子源进入到真空室，调整N₂流量使真空室气压为0.3Pa，将矩形电弧Ti靶关闭，将圆形电弧CrAl靶打开，电流为90A，开始在Ti底层上制备CrAlN涂层，持续60分钟，镀膜过程中真空室温度由加热器加热维持为500℃。镀膜结束后真空室降温到100℃以下，取出样品。

经测定，采用上述实施例制备的耐磨损、抗氧化CrAlN涂层，其厚度为5微米，成分含量为Cr：15at.％，Al：27at.％，N：58at.％，显微硬度Hv3500，抗氧化温度1000℃，在室温干摩擦和对副为GCr15条件下，销盘实验测出涂层的摩擦系数为0.3。

经高速切削实验测试，在表面涂覆有CrAlN涂层的YG6碳化钨硬质合金刀片，在切削速度v＝60m/min，切削深度αp＝0.5mm，进给量f＝0.2mm/r的切削参数下，用于加工GH4169镍基高温合金零件，共计可加工时间120min。而没有涂覆CrAlN涂层的YG6碳化钨硬质合金刀片在同样切削参数下仅可加工30min就氧化磨损失效，前者比后者提高了3倍。表明本实施例在硬质合金刀具表面制备的耐磨损、抗氧化CrAlN涂层的高速切削效果尤为显著。

需要进一步说明的是，本实施例给出的离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的方法，可以选择在任何刀具材料上进行实施，并不限于以上的实施例。

Claims (1)

1.一种离子源增强电弧离子镀制备高温合金切削刀具涂层的方法，其特征在于，按下列步骤进行：

1)将高温合金切削刀具预处理后放入离子源增强电弧离子镀膜设备的真空室中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性；

2)以安置在炉体左内壁上的矩形电弧Ti靶作为底层的Ti来源，通过调整电弧Ti靶的电流控制电弧Ti靶的溅射率；以三个均匀布置在炉体右内壁上的圆形电弧CrAl靶作为制备CrAlN涂层的Cr、Al元素来源，其中，Cr、Al元素的原子成分比例为Cr/Al＝70/30，通过调整电弧CrAl靶的电流控制电弧CrAl靶的溅射率；将高纯Ar和高纯N₂通过离子源进入真空室，其中，Ar作为离化气体，保证有效的辉光放电过程；N₂作为反应气体，使其离化并与Cr、Al元素结合，在高温合金切削刀具表面沉积形成CrAlN涂层；

3)制备工艺条件：

A)高温合金切削刀具的离子源增强等离子体轰击清洗：

高温合金切削刀具装入真空室后，抽真空并加热到500℃不变，镀膜前，通入10ml/min的Ar经过离子源进入到真空室，当真空室气压达到3Pa时，开偏压至-800V对真空室的高温合金切削刀具表面进行轰击清洗，持续10分钟；

B)Ti底层制备：

高温合金切削刀具清洗完成后，调节Ar流量到5ml/min，离子源功率1.5KW，将真空室气压调至0.3Pa，打开矩形电弧Ti靶电源，弧电流150A，调整偏压到-200V，制备Ti底层，持续10分钟；

C)CrAlN涂层制备：

Ti底层制备完成后，将偏压调整为-150V，将离子源功率调整为2.0KW，打开N₂开关，N₂经过离子源进入到真空室，调整N₂流量使真空室气压为0.3Pa，将矩形电弧Ti靶关闭，将圆形电弧CrAl靶打开，电流为90A，开始在Ti底层上制备CrAlN涂层，镀膜过程中真空室温度由加热器加热维持为500℃，持续60分钟；镀膜结束后关闭加热器，当真空室温度降到100℃以下时，取出带有CrAlN涂层的高温合金切削刀具。