CN107201499A - 一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于难加工材料切削用刀具保护涂层技术领域，具体涉及一种钛合金切削用高硬度高结合力合金化元素X成分梯度TiAlXN刀具涂层及其制备方法。一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具的制备方法，所述方法在磁控溅射装置中进行，采用TiAl合金靶材和至少一个X靶材共溅射的方法：保持TiAl合金靶材功率不变，X靶材功率以恒定速率增加，制备TiAlXN成分梯度涂层，所述TiAlXN涂层中的X成分的含量由靠近刀具基体的一侧至远离刀具基体的一侧由低到高连续增加。本发明所制备的成分梯度TiAlXN涂层心部层合金化元素X含量低、表面层X含量高，能够大幅提高TiAlXN涂层与基体结合力，并对涂层力学性能影响较小，增加涂层对刀具的保护。

Description

一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具及其制备方法
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，具体涉及一种钛合金切削用高硬度高结合力合金化元素X成分梯度TiAlXN刀具涂层及其制备方法。
背景技术
钛合金具有强度大、重量轻、耐热性强、耐腐蚀等优良特性，被称为2l世纪的战略金属，也被称为新崛起的第三代金属，是具有发展前途的新型工程材料之一。钛合金被广泛应用于航空航天、汽车、生物医学以及石油化工等工业部门中。目前，航空航天工业是钛合金的主要消费领域。
随着高速切削技术发展以及对薄壁整体零部件要求提高，钛合金可加工性能差的缺点被无限放大。高强度、低热导率、高化学反应活性以及低弹性模量是造成钛合金切削加工困难的主要原因。特别是钛合金高强度要求刀具涂层硬度高，低弹性模量在刀具切削时会造成刀具颤振现象严重，要求刀具涂层有高的结合力。
近些年来，TiAlN基硬质涂层由于其优良的力学和高温抗氧化性能，被推荐用来加工钛合金等难加工材料。随着高速切削和微润滑等新型加工技术在钛合金切削中的应用，要求涂层具有更高的硬度和热稳定性。基于这点，有研究者提出了涂层合金化其他元素的方法。例如，Ta元素添加形成TiAlTaN涂层可以提高涂层抗氧化性；Si元素添加形成TiAlSiN涂层可以形成非晶包裹纳米晶的独特结构涂层的硬度和热稳定性显著提高。实际生产加工中，并不是涂层的某一性能越高越好，而是涂层的综合性能指标更加重要。单纯的高硬度和高抗氧化性并不能解决钛合金高速切削加工问题，特别是合金化其他元素使涂层硬度增高同时会导致其脆性变大，降低了涂层的膜基结合力。再加上切削钛合金这类弹性模量较低的材料时，刀具颤振现象严重，导致涂层出现大面积剥落现象，而剥落的涂层会形成磨粒加速刀具的磨损。由此可见，在提高涂层硬度的条件下，保持高的结合力对刀具切削性能有重大的影响。
综上所述，需要开发一种热稳定性好、硬度高同时膜基结合力好的刀具涂层，提升刀具性能，降低刀具的磨损量，延长刀具的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是为了解决多元刀具涂层高硬度时结合力低的问题，提供一种钛合金切削用成分梯度刀具涂层及其制备方法。本发明所制备的成分梯度TiAlXN涂层心部层合金化元素X含量低、表面层X含量高，能够大幅提高TiAlXN涂层与基体结合力，并对涂层力学性能影响较小，增加涂层对刀具的保护，上述合金化元素X包括但不限于Ta、Si、Cr、Y、Nb、V、Zr等或其组合。该涂层适用于难加工材料切削加工用。本发明梯度涂层通过以下技术方案实现：
一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具的制备方法，所述方法在磁控溅射装置中进行，采用TiAl合金靶材和至少一个X靶材共溅射的方法：保持TiAl合金靶材功率不变，X靶材功率以恒定速率增加，制备TiAlXN成分梯度涂层，所述TiAlXN涂层中的X成分的含量由靠近刀具基体的一侧至远离刀具基体的一侧由低到高连续增加，
其中，X为Ta、Si、Cr、Y、Nb、V、Zr中的1～4种，当X为多种元素的组合时，各X元素的原子数相同。
本发明所述“磁控溅射装置”为现有技术公开的具有多靶共溅射功能的磁控溅射装置，可商业购得。
上述技术方案中，所述X为多种元素的组合时，各X元素的原子数相同。以当X为3种元素的组合时为例，各原素原子数之比为1:1:1。
当X为多种元素时，可采用一个X靶材，所述X靶材为多种元素合金靶材，或者采用多个纯元素靶材。如当X选用Ta和Nb(Ta:Nb原子数之比为1:1)时，可选用一个Ta-Nb合金靶材；也可选择使用一个纯Ta靶材和一个纯Nb靶材共溅射。
进一步地，优选所述TiAlXN成分梯度涂层的原子百分数为：钛为10～40at.％，铝为5～50at.％，X为0～40at.％(不含0)，氮为30～55at.％，各元素原子百分数之和为100％。
当X为多种元素的组合时，各元素原子数总和占涂层的原子百分数为0～40at.％。
进一步地，优选所述TiAl合金靶恒定功率为500W～5000W；X靶材功率增加速率为1W/min～10W/min，X靶材初始功率为0，终点功率为100W～500W。
当X为多种元素时，并采用多个纯元素靶材时，各靶材功率增加速率相同。
本发明所述钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具的制备方法一个优选的技术方案为：所述方法包括下述工艺步骤：
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60～160℃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350～550℃，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25～45min；
步骤3，过渡层制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为30～60sccm的Ar气，基片温度为400～500℃，负偏压为20～180V，负偏压占空比20％～80％，真空度为0.3～0.9Pa；
在此沉积条件下，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；
步骤4，梯度涂层制备：
沉积条件为：过渡层制备完毕后，关闭Ar气，向真空室中通入流量为10～50sccm的高纯N2气，再通入流量为30～60sccm的高纯Ar气，真空度保持0.3～0.6Pa，基片温度为400～500℃，负偏压为20～180V，负偏压占空比20％～80％；
采用以下方法制备不同成分梯度涂层：
采用TiAl合金靶材和至少一个X靶材共溅射的方法，保持TiAl合金靶材功率不变，X靶材以恒定速率增加，制备成分梯度涂层。
步骤5，随炉降温至100℃以下，取出刀具，常温冷却。
上述技术方案中，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。
上述技术方案中，所述的步骤1中，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。
上述技术方案中，所述步骤4中TiAl合金靶材成分，按原子质量百分数，钛为20～80at.％，铝为20～80at.％。
利用本发明所述方法制得的刀具，：所述刀具由刀具基体及其表面的TiAlXN成分梯度涂层构成，所述TiAlXN涂层中的X成分的含量由靠近刀具基体的一侧至远离刀具基体的一侧由低到高连续增加，其中，X为Ta、Si、Cr、Y、Nb、V、Zr中的1～4种，当X为多种元素的组合时，各X元素的原子数相同。
进一步地，所述TiAlXN成分梯度涂层厚度为1～4μm。
进一步地，所述TiAlXN成分梯度涂层中，X的原子百分数为5～40at.％
进一步地，所述TiAlXN成分梯度涂层的原子百分数为：钛为10～40at.％，铝为5～50at.％，X为0～40at.％，氮为30～55at.％。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供一种在切削钛合金材料时，提高刀具与涂层结合力并且对涂层硬度影响较小的成分梯度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脆性剥落现象，提升了刀具涂层综合性能，并能有效延长涂层刀具的使用寿命，使用所制备的涂层刀具非常适合加工钛及其合金。
2.本发明的一种钛合金切削用成分梯度刀具涂层及其制备方法，制备的TiAlXN涂层中合金化元素X可以是金属元素也可以是非金属元素，可以控制靶材以不同功率速度改变梯度层成分变化，控制方便，易于实现大规模生产。
3.本发明的一种钛合金切削用成分梯度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体上进行成分梯度刀具涂层的沉积，通过这种方法制得的涂层刀具，基体材料和成分梯度涂层之间的匹配性良好，使涂层兼具硬度高、热稳定性优良和涂层结合力好的特点，大幅提高涂层综合性能；经钛合金切削实验测定，通过本发明所制备的成分梯度涂层刀具能够显著的提高涂层结合力，不易剥落提升涂层服役寿命，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成分梯度刀具涂层及其制备方法，容易实施，且成本低廉，效果好，易于工厂大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例制备的刀具涂层的截面结构示意图；其中，1-刀具基体；2-钛过渡层；3-TiAlXN涂层；
图2a和b分别为对比例1中TiAlSiN和实施例2中硅成分梯度TiAlSiN的截面扫描图；
图3a为实施例1中硅成分梯度TiAlSiN截面扫描图；图3b为其截面成分线扫图，Si含量从涂层表面到内部呈梯度分布；
图4为对比例1中TiAlSiN和实施例1中硅成分梯度TiAlSiN的硬度对比图；
图5a为对比例1中TiAlSiN和实施例1中硅成分梯度TiAlSiN的结合力对比图；图5b为其划痕金相图；
图6为对比例1中TiAlSiN涂层刀具和实施例1中硅成分梯度TiAlSiN涂层刀具以100m/min切削速度切削的后刀面磨损量与切削距离的关系图；
图7a为实施例2中钽成分梯度TiAlTaN截面扫描图；图7b为其截面成分线扫图，Ta含量从涂层表面到内部呈梯度分布；
图8为对比例2中TiAlTaN和实施例2中钽成分梯度TiAlTaN的硬度对比图；
图9为对比例2中TiAlTaN和实施例2中钽成分梯度TiAlTaN的结合力对比图；
图10为对比例2中TiAlTaN涂层刀具和实施例2中钽成分梯度TiAlTaN涂层刀具以100m/min切削速度切削的后刀面磨损量与切削距离的关系图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中所述刀具基体为碳化钨-钴刀具，购自河北恒凯硬质合金厂。
对比例1对比涂层TiAlSiN
一种钛合金切削用TiAlSiN刀具涂层，组成成分及厚度如下：
底层钛过渡层厚度为270nm；
顶层TiAlSiN涂层按所含元素按原子百分数为，钛为21.23at.％，铝为21.58at.％，硅为12.04at.％，氮为45.15at.％，厚度为2.7μm。
一种钛合金切削用TiAlSiN刀具涂层制备方法，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400℃，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990V，占空比27％的条件下，辉光溅射清洗30min；
步骤3，过渡层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为120V，负偏压占空比为80％，真空度为0.5Pa；
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270nm的纯Ti过渡层；
步骤4，TiAlSiN涂层的制备：
过渡层制备完毕后，关闭Ar气，向真空室中通入流量为35sccm的高纯N2气，再通入流量为35sccm的高纯Ar气，真空度仍保持0.5Pa，负偏压及其占空比不变，保持钛铝合金靶材和纯Si靶共溅射，其中钛铝靶功率为1000W，Si靶功率300W，沉积厚度为2.7um的TiAlSiN涂层；其中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛50at.％，铝50at.％，Si靶纯度为99.99at.％。
步骤5，随炉降温至100℃以下，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用TiAlSiN刀具涂层的结构如图1所示。
实施例1硅功率以2w/min的速度增加进行沉积
一种钛合金切削用Si成分梯度TiAlSiN刀具涂层，组成成分及厚度如下：
底层钛过渡层厚度为270nm；
顶层为Si成分梯度TiAlSiN涂层，Si的含量是连续变化的，所含元素按原子百分数给出各元素变化范围，由靠近刀具基体的一侧至远离刀具基体的一侧，钛为24.14at.％～21.23at.％，铝为24.53at.％～21.58at.％，硅为0～12.04at.％，氮为51.33at.％～45.15at.％，厚度为2.6μm。
一种钛合金切削用Si成分梯度TiAlSiN刀具涂层制备方法，包括以下步骤：
刀具基体的预处理、刀具基体辉光溅射清洗、过渡层的制备同实对比例1中步骤1、步骤2、步骤3。
步骤4，Si成分梯度TiAlSiN涂层的制备：
过渡层制备完毕后，关闭Ar气，向真空室中通入流量为35sccm的高纯N2气，再通入流量为35sccm的高纯Ar气，真空度仍保持0.5Pa，负偏压及其占空比不变，保持钛铝合金靶材和纯Si靶共溅射，其中钛铝靶功率为1000W，Si靶功率以2w/min的速度增加到300W，沉积厚度为2.6um的成分梯度TiAlSiN涂层；其中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛50at.％，铝50at.％，Si靶纯度为99.99at.％。
步骤5，随炉降温至100℃以下，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用TiAlSiN刀具涂层和硅成分梯度TiAlSiN刀具涂层的截面扫描图如图2所示；硅成分梯度TiAlSiN刀具涂层截面线扫图如图3所示。
对比例2对比TiAlTaN
一种钛合金切削用TiAlTaN刀具涂层，组成成分及厚度如下：
底层钛过渡层厚度约为270nm；
顶层TiAlTaN涂层按所含元素按原子百分数为，钛为23.24at.％，铝为24.01at.％，钽为22.07at.％，氮为30.68at.％，厚度为1.8μm；
一种钛合金切削用TiAlTaN刀具涂层制备方法，包括以下步骤：
刀具基体的预处理、刀具基体辉光溅射清洗、过渡层的制备同对比例1中步骤1、步骤2、步骤3。
步骤4，TiAlTaN涂层的制备：
过渡层制备完毕后，关闭Ar气，向真空室中通入流量为35sccm的高纯N2气，再通入流量为35sccm的高纯Ar气，真空度仍保持0.5Pa，负偏压及其占空比不变，保持钛铝合金靶材和纯Ta靶共溅射，其中钛铝靶功率为900W，Ta靶功率300W，沉积厚度为1.8um的TiAlTaN涂层；其中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛50at.％，铝50at.％，Ta靶纯度为99.99at.％。
步骤5，随炉降温至100℃以下，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用TiAlTaN刀具涂层的结构如图1所示。
实施例2Ta功率以3W/min的速度增加进行沉积
一种钛合金切削用TiAlTaN刀具涂层，组成成分及厚度如下：
底层钛过渡层厚度约为270nm；
顶层为Ta成分梯度TiAlTaN涂层，Ta的含量是连续变化的，所含元素按原子百分数给出各元素变化范围，由靠近刀具基体的一侧至远离刀具基体的一侧，钛为29.82at.％～23.24at.％，铝为30.82at.％～24.01at.％，钽为0～22.07at.％，氮为39.36at.％～30.68at.％，厚度为1.52μm；
一种钛合金切削用Ta成分梯度TiAlTaN刀具涂层制备方法，包括以下步骤：
刀具基体的预处理、刀具基体辉光溅射清洗、过渡层的制备同对比例1中步骤1、步骤2、步骤3。
步骤4，Ta成分梯度TiAlTaN涂层的制备：
过渡层制备完毕后，关闭Ar气，向真空室中通入流量为35sccm的高纯N2气，再通入流量为35sccm的高纯Ar气，真空度仍保持0.5Pa，负偏压及其占空比不变，保持钛铝合金靶材和纯Ta靶共溅射，其中钛铝靶功率为900W，Ta靶功率以3W/min的速度增加到300W，沉积厚度为1.52um的Ta成分梯度TiAlTaN涂层；其中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛50at.％，铝50at.％，Ta靶纯度为99.99at.％。
步骤5，随炉降温至100℃以下，取出刀具，常温冷却。
制得的钛合金切削用钽成分梯度TiAlTaN刀具涂层截面线扫图如图7所示。
实施例3NbTa成分梯度TiAlNbTaN制备
一种钛合金切削用梯度TiAlNbTaN刀具涂层，组成成分及厚度如下：
底层钛过渡层厚度为250nm；
顶层为Nb和Ta成分梯度TiAlNbTaN涂层，Nb和Ta的含量是连续变化的，按所含元素按原子百分数给出各元素变化范围，由靠近刀具基体的一侧至远离刀具基体的一侧，钛为30.21at.％～20.52at.％，铝为31.05at.％～21.23at.％，钽为0～15.02at.％，铌为0～11.04％，氮为38.74at.％～32.19at.％，厚度为3.5μm；
一种钛合金切削用Nb和Ta成分梯度TiAlNbTaN刀具涂层制备方法，包括以下步骤：
刀具基体的预处理、刀具基体辉光溅射清洗、过渡层的制备同对比例1中步骤1、步骤2。
步骤3，过渡层的制备：
沉积条件为：向真空室内通入Ar气流量为50sccm，温度为400℃，负偏压为120V，负偏压占空比为80％，真空度为0.5Pa；
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250nm的纯Ti过渡层；
步骤4，Nb和Ta成分梯度TiAlNbTaN涂层的制备：
过渡层制备完毕后，关闭Ar气，向真空室中通入流量为35sccm的高纯N2气，再通入流量为35sccm的高纯Ar气，真空度仍保持0.5Pa，负偏压及其占空比不变，保持钛铝合金靶材和铌钽合金靶共溅射，其中钛铝靶功率为1000W，铌钽合金靶功率以3W/min的速度增加到360W，沉积厚度为3.5um的铌钽成分梯度TiAlNbTaN涂层；其中，钛铝合金靶材成分，按原子百分数，钛50at.％，铝50at.％，铌钽合金靶成分按原子百分数，铌50at.％，钽50at.％。
步骤5，随炉降温至100℃以下，取出刀具，常温冷却。

Claims (9)

1.一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具的制备方法，其特征在于：
所述方法在磁控溅射装置中进行，采用TiAl合金靶材和至少一个X靶材共溅射的方法：保持TiAl合金靶材功率不变，X靶材功率以恒定速率增加，制备TiAlXN成分梯度涂层，所述TiAlXN涂层中的X成分的含量由靠近刀具基体的一侧至远离刀具基体的一侧由低到高连续增加，
其中，X为Ta、Si、Cr、Y、Nb、V、Zr中的1～4种，当X为多种元素的组合时，各X元素的原子数相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述TiAlXN成分梯度涂层的原子百分数为：钛为10～40at.％，铝为5～50at.％，X为0～40at.％，氮为30～55at.％，各元素原子百分数之和为100％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述TiAl合金靶恒定功率为500W～5000W；X靶材功率增加速率为1W/min～10W/min，X靶材初始功率为0，终点功率为100W～500W。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当X为多种元素的组合时，采用一个X靶材，所述X靶材为多种元素合金靶材；或者采用多个纯元素靶材。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括下述工艺步骤：
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60～160℃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350～550℃，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25～45min；
步骤3，过渡层制备：
沉积条件为：向真空室内通入流量为30～60sccm的Ar气，刀具基体温度为400～500℃，负偏压为20～180V，负偏压占空比20％～80％，真空度为0.3～0.9Pa；
在此沉积条件下，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；
步骤4，梯度涂层制备：
沉积条件为：过渡层制备完毕后，关闭Ar气，向真空室中通入流量为10～50sccm的高纯N2气，再通入流量为30～60sccm的高纯Ar气，真空度保持0.3～0.6Pa，基片温度为400～500℃，负偏压为20～180V，负偏压占空比20％～80％；
采用以下方法制备不同成分梯度涂层：
采用TiAl合金靶材和至少一个X靶材共溅射的方法，保持TiAl合金靶材功率不变，X靶材以恒定速率增加，制备成分梯度涂层。
步骤5，随炉降温至100℃以下，取出刀具，常温冷却。
6.根据权利要求5所述的方法，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。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：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。
8.权利要求1～7任一项所述方法制得的刀具，其特征在于：所述刀具由刀具基体及其表面的TiAlXN成分梯度涂层构成，所述TiAlXN涂层中的X成分的含量由靠近刀具基体的一侧至远离刀具基体的一侧由低到高连续增加，
其中，X为Ta、Si、Cr、Y、Nb、V、Zr中的1～4种，当X为多种元素的组合时，各X元素的原子数相同。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述TiAlXN成分梯度涂层厚度为1～4μm。
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