CN107740051A - 一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法，属于机械制造技术领域，在基体表面易磨损区域进行一种或多种形貌的织构化处理，涂覆硬质涂层后针对织构形貌类别以上下对应、形貌互换的方式织构化硬质涂层表面，最后涂覆软质涂层。本发明中复合涂层增强了基体表面的减摩耐磨性能，多层织构错位叠加增大了涂层‑基体、涂层‑涂层间结合强度，延长了基体使用寿命。

Description

一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，特别是涉及一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法。

背景技术

在机械制造领域，普遍存在的摩擦作用会导致零件的磨损或破损，而且摩擦和塑性变形产生的热量会加速这种现象的发生。研究发现零件表面处理可有效提高其耐磨和耐高温性能，主流的方法有表面涂层技术和表面织构技术等。

经涂层的零件表面硬度高、耐磨性好、热导率低，涂层根据材料的性质可大致分为“硬”涂层和“软”涂层，“硬”涂层主要用来提高基体表面硬度和耐磨性，“软”涂层主要用来降低基体表面摩擦系数获得良好的自润滑性能，两类涂层复合在基体表面可以兼具各自的优点延长基体的使用寿命。

激光织构技术应用于基体表面和涂层表面，形成具有规则排布的织构形貌，使涂层与基体、涂层与涂层之间的结合面积增大，有利于增大不同材料之间的结合强度。当涂层磨损严重时，织构加工出的微凹腔中的涂层材料会随着摩擦副之间相互运动而带到接触面，充当固体润滑剂减少磨损。因此激光织构技术在改善零件表面摩擦性能和减少磨损方面效果显著。

中国专利（申请号CN200910256536.9）公布了“软硬复合涂层刀具及其制备方法”，它是采用中频磁控沉积MoS₂软涂层+电弧法镀Ti过渡层和ZrN硬涂层，刀具表面为MoS₂层，MoS₂层和基体之间具有Ti过渡层和ZrN硬涂层。该刀具进行干切削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而可达到减小摩擦，阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。中国专利（申请号CN201110229343.1）中国专利公布了“一种软硬复合涂层刀具”，它是在刀具基体表面沉积材料为MoS₂软涂层和高耐硬质薄膜硬涂层，结合前者的润滑性能和后者的耐磨性能，提升了刀具的切削性能和使用寿命，但该发明未涉及基体表面与涂层表面织构化处理，考虑到复合涂层厚度及其与基体间结合强度较低的原因，这种刀具难以适应高速切削及其他工况恶劣的环境。中国专利（申请号CN201310021922.6）的中国专利公布了“带有软硬复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法”，它是在活塞环的外圆面沉积铬基镀层或渗碳/氮层或镍基镀层，采用激光织构技术对硬度层外圆摩擦面进行织构化处理，并在织构化表面镀银层或镀锡层或磁控溅射MoS₂涂层。该活塞环在使用时有效降低了活塞外圆面和缸套之间的摩擦力，提高了活塞环表面的摩擦性能，延长了使用寿命。该专利未涉及涂层表面织构化处理，不能确保复合涂层之间具有良好的结合强度。

为了适应机械制造领域中广泛存在着摩擦磨损的场合，减小摩擦，降低磨损，提高基体的使用寿命，本发明通过有机结合激光织构技术和复合涂层技术，得到一种制备带有织构表面的软硬复合涂层基体的新方法，增强涂层与基体、涂层与涂层之间的结合强度，改善接触表面的润滑性能和耐磨性能，从而延长基体的使用寿命，得到的基体更容易适应各种工况。

发明内容

本发明主要针对基体表面耐磨处理技术的不足，提出了一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法。采用双层错位分布的两种织构形貌增强了硬涂层与基体材料之间以及软硬复合涂层之间的结合强度，这种基体表面既具有较低的摩擦系数，可以起到自润滑的效果，又具有较高的硬度和耐磨性，有效降低了工作场合的温度，延长了基体的使用寿命。

为实现上述目标，可以通过以下方案解决各项技术问题：

一种带有织构化涂层表面的基体，包括基体材料、织构化基体表面、基体材料上的硬质涂层、织构化硬质涂层表面以及软质涂层。所述基体材料为高速钢、铝合金、铸铁、硬质合金、陶瓷材料之一；所述织构化基体材料表面为采用脉冲激光在基体表面加工的行列数为n*n的凹腔织构形貌以及与其错位分布的行列数为（n-1）*（n-1）的凹凸复合的织构形貌；所述硬质涂层材料为Al₂O₃、TiC、TiCN、CrN、ZrN、C₃N₄或TiAlN涂层之一；所述织构化硬质涂层表面为采用脉冲激光在硬质涂层表面与基体材料表面凹凸复合形貌相对应的加工区域加工的行列数为（n-1）*（n-1）的凹腔织构形貌以及与其错位分布的行列数为n*n的凹凸复合的织构形貌；所述软质涂层为WS₂、MoS₂、TaS₂涂层或碳基薄膜涂层之一，复合在织构化硬质涂层表面。

一种带有织构化涂层表面的基体的具体技术方案为，包括基体材料、硬质涂层和软质涂层，基体材料与硬质涂层结合，基体材料表面设有织构形貌，硬质涂层与软质涂层结合，硬质涂层表面设有织构形貌。所述基体材料表面和涂层表面的表面织构为规则排列的织构形貌。规则排列的织构形貌包括凹体形貌、凸体形貌和凹凸复合织构形貌中的一种或两种以上的混合。所述基体材料与硬质涂层的表面织构形貌的排列呈错位分布。所述规则排列的织构形貌的间距大于织构直径。

所述织构形貌呈错位分布是指在基体材料与硬质涂层表面均分布有两种织构形貌A和B，且基体材料表面上A和B织构形貌的分布点与硬质涂层表面上B和A织构形貌的分布点在竖直方向上相互对应，同一表面上的A、B织构形貌均呈等间距阵列，两种织构形貌横向与纵向之间分别存在一个大小相等的偏移量，且偏移量为相邻的同种织构形貌间距的一半。所述织构形貌间距大于织构直径是指织构形貌中心间的距离大于织构形貌中心到该织构形貌所占区域的最大边缘轮廓间的距离。所述凹体形貌为凹腔直径D₁=50~300μm，凹腔深度d₁=5~30μm，凹腔间距L₁=350~1000μm，面积占有率为S₁=2%~60%。所述凹凸复合织构形貌为凹腔外径D₂=50~300μm，凹腔内径D₃=45~290μm，凹腔深度d₂=5~30μm，边缘凸台高度h=2~20μm，凹腔间距L₂=350~1000μm，面积占有率为S₂=2%~60%。所述基体材料为碳化硅、高速钢、铝合金、铸铁、硬质合金、陶瓷材料之一。所述硬质涂层为Al₂O₃、TiC、TiCN、CrN、ZrN、C₃N₄或TiAlN涂层之一，所述硬质涂层厚度为1~2000μm。最小硬质涂层厚度大于最大织构深度。所述软质涂层为WS₂、MoS₂、TaS₂涂层或碳基薄膜涂层之一，软质涂层厚度为1~1500μm。

一种带有织构化涂层表面的基体的制备方法，在对基体材料涂覆硬质涂层前，织构化基体材料表面，在对硬质涂层涂覆涂层前，织构化硬质涂层表面。

一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法，具体步骤如下：

1）对基体表面采用抛光机进行抛光处理至Ra＜0.01的镜面，放入清洗溶液采用超声波清洗机进行超声清洗，其中清洗溶液为氢氧化钠20g/L~75g/L、碳酸钠20g/L~80g/L的水溶液；

2）采用Nd：YAG脉冲激光器对基体表面进行织构加工，采用采用混合式步进电机控制基体的线位移和角位移,保持激光束不动的加工方式制备阵列凹腔和凹凸复合形貌,同点间隔多次反复加工2~20次，改变表面凹腔的直径和深度。保持基体不动，调整激光器在指定区域加工出行列数为n*n的微凹腔形貌织构以及与其错位分布的行列数为（n-1）*（n-1）的凹凸复合的织构形貌，其中凹体织构形貌为凹腔直径D₁=50~300μm，凹腔深度d₁=5~30μm，凹腔间距L₁=350~1000μm，面积占有率为S₁=2%~60%，凹凸复合织构形貌为凹腔外径D₂=50~300μm，凹腔内径D₃=45~290μm，凹腔深度d₂=5~30μm，边缘凸台高度h=2~20μm，凹腔间距L₂=350~1000μm，面积占有率为S₂=2%~60%，形成织构化刀具基体表面；

3）在织构化基体表面采用阴极弧物理蒸发方法沉积硬质涂层，工作气压控制在至0.4~0.5pa，偏压为200~500V，蒸发电流为60~80A，沉积温度为400~500℃，沉积时间为20~40min，硬质涂层厚度为1~2000μm，；

4）采用Nd：YAG脉冲激光器对硬质涂层表面进行织构加工，保持基体不动，调整激光器在与织构化基体表面织构错位分布的区域加工出行列数为（n-1）x（n-1）的微凹腔形貌织构以及与其错位分布的行列数为nxn的凹凸复合的织构形貌，其中凹体织构形貌为凹腔直径D₁=50~300μm，凹腔深度d₁=5~30μm，凹腔间距L₁=350~1000μm，面积占有率为S₁=2%~45%；所述一种凹凸复合织构形貌为凹腔外径D₂=50~300μm，凹腔内径D₃=45~290μm，凹腔深度d₂=5~30μm，边缘凸台高度h=2~20μm，凹腔间距L₂=350~1000μm，面积占有率为S₂=2%~45%；所述织构形貌总面积占有率S₃=4%~90%。形成织构化硬质涂层表面；

5）在织构化硬质涂层表面采用磁控离子溅射方法沉积软质涂层，偏压为200~500V，沉积温度为180~240℃，沉积时间为100~180min，软质涂层厚度为1~1500μm。

所述凹腔间距为凹腔最大边缘轮廓形状几何中心之间的距离，所述面积占有率为相邻四个织构形貌几何中心构成的四边形中所包括的同种形貌织构总面积与四边形面积的比值。

本发明的突出优势在于：分别在基体表面和硬质涂层表面均加工出阵列微凹腔型织构，阵列微凹腔型织构增大了基体和涂层、涂层与涂层之间的咬合面积，显著增强了其结合强度，从而提高了基体表面的耐磨性。硬质涂层硬度高，耐磨性和隔热性好，有利于减小基体受热变形量，软涂层自润滑性能好，有利于减摩，复合涂层的使用增强了基体表面的隔热效果，提高了基体耐高温的能力。在本发明的基体与其他材料组成的摩擦副中，凹体织构形貌可以储存软质润滑涂层，相对运动过程中可以及时补充磨损或脱落的润滑膜，形成一种新型固体润滑膜，且双层两种织构形貌均呈错位分布，有利于避免激光加工表面的应力集中现象。这些效果的叠加使得基体的摩擦性能得到显著提高，使用寿命得到有效延长。

附图说明

图1为带有织构化涂层表面的基体的剖面结构示意图，图中：1为基体材料、2为织构化基体表面、3为硬质涂层、4为织构化硬质涂层表面、5为软质涂层；

图2为基体材料表面和硬质涂层表面织构形貌的分布示意图，图中：6为凹体形貌织构，7为凹凸复合形貌织构。

具体实施方式

结合附图以下给出两个较佳实施案例，使得本发明的特征与优势更易被本领域技术人员理解。并非因此限制本发明的专利范围。凡利用本发明说明书及附图内容中方法原理和技术手段作模拟或还原在其他场合或相关领域中，皆属于本发明的专利保护范围之列。

如附图1所示，L₁为凹体织构行/列间距，D₁为凹体织构凹腔直径，L₂为凹凸复合织构行/列间距，D₂为凹凸复合织构凹腔外径，D₃为凹凸复合织构凹腔内径，h为凹凸复合织构凸台高度。其中硬质涂层3沉积在织构化基体表面2上，软质涂层5沉积在织构化硬质涂层表面4上。如附图2所示，在织构化基体表面2和织构化硬质涂层表面4上的均分别加工出两种织构形貌，两种织构的加工点在同一表面呈等间距的错位分布，且在不同表面上下一一精准对应。

实施例一，一种带有织构化涂层表面的硬质合金刀具，软涂层材料为MoS₂，硬涂层材料为TiAlN，基体材料为YT15硬质合金，涂层方式为磁控离子溅射软质涂层，阴极弧物理蒸发硬质涂层。制备方法的具体步骤为：

（1）前处理：将刀具基体材料前刀面抛光至Ra＜0.01的镜面，依次放入氢氧化钠60g/L、碳酸钠75g/L的水溶液中，超声清洗20min，清洗温度为45℃，去除表面油污及汗渍，干燥充分；

（2）激光加工织构化基体表面：采用Nd：YAG脉冲激光器对基体表面进行织构化处理，将刀具装夹在工作台上，调整激光器在刀具前刀面指定区域加工出行列数为10x10的阵列凹腔织构形貌以及与其呈错位分布的行列数为9x9的阵列凹凸复合织构形貌，凹腔织构形貌面积占有率为15%，凹凸复合织构形貌面积占有率为15%，总织构形貌面积占有率为30%，形成织构化基体表面；

（3）镀硬质涂层前处理：将加工出织构化基体表面的刀具放入氢氧化钠75g/L、碳酸钠60g/L的水溶液中，超声清洗15min,清洗温度为50℃，去除表面加工残渣及粉尘，干燥充分后迅速放入已抽至8x10-3Pa本底真空度的镀膜室，烘烤至450℃，保温35min；

（4）离子清洗：通Ar气，其压力为1.2Pa,开启偏压电源，电压为750V，占空比0.2，开启离子源清洗20min，开启电弧源，偏压500V，靶电流60A，离子轰击Ti0.5min；

（5）沉积TiAlN：调整工作气压至0.5pa，偏压降低至200V，蒸发电流为70A，沉积温度为450℃，电弧镀TiAlN 30min，冷却至室温后出炉；

（6）镀硬质涂层后处理：关闭TiAlN靶源，开启离子源轰击5~10min。关闭各项控制电源、离子源及气体源，硬质涂层涂覆结束。

（7）激光加工织构化硬质涂层表面：采用Nd：YAG脉冲激光器在硬质涂层表面进行织构化处理，将基体装夹在工作台上，调整激光器在硬质涂层表面与基体表面同种织构形貌相对应的区域加工出行列数为9x9的微凹腔形貌织构以及与其错位分布的行列数为10x10的凹凸复合的织构形貌，两种织构形貌的面积占有率和总面积占有率与织构化基体表面相同，形成织构化硬质涂层表面；

（8）镀软质涂层前处理：将带有织构化涂层表面的基体放入氢氧化钠75g/L、碳酸钠80g/L的水溶液中，超声清洗15min, 清洗温度为50℃，去除表面加工残渣及粉尘，干燥充分后迅速放入已抽至8x10^-3Pa本底真空度的镀膜室，烘烤至200℃，保温30min。

（9）沉积MoS₂：开启MoS₂靶源，调节偏压至200V，关闭离子源，沉积温度为200℃，磁控溅射镀MoS₂ 150min，冷却至室温后出炉；

（10）后处理：关闭MoS₂靶源，开启离子源轰击10min。关闭各项控制电源、离子源及气体源，软质涂层涂覆结束。

实施例二，一种带有织构化涂层表面的机械密封环，软涂层材料为WS₂，硬涂层材料为Al₂O₃，基体材料为铸铁，涂层方式为磁控离子溅射软质涂层，阴极弧物理蒸发硬质涂层。制备方法的具体步骤为：

（1）前处理：将机械密封环端面抛光至Ra＜0.01的镜面，依次放入氢氧化钠75g/L、碳酸钠75g/L的水溶液中，超声清洗30min，清洗温度为40℃，去除表面油污及汗渍，干燥充分；

（2）激光加工织构化机械密封环端面：采用Nd：YAG脉冲激光器对机械密封环端面进行织构化处理，将机械密封环装夹在工作台上，调整激光器在机械密封环端面指定区域加工出行列数为8x8的阵列凹腔织构形貌以及与其呈错位分布的行列数为7x7的阵列凹凸复合织构形貌，凹腔织构形貌面积占有率为35%，凹凸复合织构形貌面积占有率为35%，总织构形貌面积占有率为70%，形成织构化基体表面；

（3）镀硬质涂层前处理：将加工出织构化表面的基体放入氢氧化钠65g/L、碳酸钠50g/L的水溶液中，超声清洗30min, 清洗温度为50℃，去除表面加工残渣及油污，干燥充分后迅速放入已抽至8x10^-3Pa本底真空度的镀膜室，烘烤至400℃，保温40min；

（4）离子清洗：通Ar气，其压力为1.5Pa,开启偏压电源，电压为700V，占空比0.4，开启离子源清洗20min；

（5）沉积Al₂O₃：调整工作气压至0.5pa，偏压降低至200V，蒸发电流为80A，沉积温度为500℃，电弧镀Al₂O₃ 35min，冷却至室温后出炉；

（6）镀硬质涂层后处理：关闭Al₂O₃靶源，开启离子源轰击5~10min。关闭各项控制电源、离子源及气体源，硬质涂层涂覆结束。

（7）激光加工织构化硬质涂层表面：采用Nd：YAG脉冲激光器在硬质涂层表面进行织构化处理，将基体装夹在工作台上，调整激光器在硬质涂层表面与基体表面同种织构形貌相对应的区域加工出行列数为7x7的微凹腔形貌织构以及与其错位分布的行列数为8x8的凹凸复合的织构形貌，两种织构形貌的面积占有率和总面积占有率与织构化基体表面相同，形成织构化硬质涂层表面；

（8）镀软质涂层前处理：将带有织构化涂层表面的基体放入氢氧化钠60g/L、碳酸钠75g/L的水溶液中，超声清洗20min, 清洗温度为60℃，去除表面加工残渣及粉尘，干燥充分后迅速放入已抽至8x10^-3Pa本底真空度的镀膜室，烘烤至300℃，保温20min。

（9）沉积WS₂：开启WS₂靶源，调节偏压至250V，关闭离子源，沉积温度为240℃，磁控溅射镀WS₂ 180min，冷却至室温后出炉；

（10）后处理：关闭WS₂靶源，开启离子源轰击10min。关闭各项控制电源、离子源及气体源，软质涂层涂覆结束。

Claims (18)

1.一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，包括基体材料（1）、硬质涂层（3）和软质涂层（5），基体材料（1）与硬质涂层（3）结合，基体材料（1）表面设有织构形貌，硬质涂层（3）与软质涂层（5）结合，硬质涂层（3）表面设有织构形貌。

2.根据权利要求1所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述基体材料（1）表面和硬质涂层（3）表面的表面织构为规则排列的织构形貌。

3.根据权利要求2所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述规则排列的织构形貌包括凹体形貌、凸体形貌和凹凸复合织构形貌中的一种或两种以上的混合。

4.根据权利要求1或3所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述基体材料（1）与硬质涂层（3）的表面织构形貌的排列呈错位分布。

5.根据权利要求4所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述规则排列的织构形貌的间距大于织构直径。

6.根据权利要求4所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述织构形貌呈错位分布是指在基体材料（1）与硬质涂层（3）表面均分布有两种织构形貌A和B，且基体材料（1）表面上A和B织构形貌的分布点与硬质涂层（3）表面上B和A织构形貌的分布点在竖直方向上相互对应，同一表面上的A、B织构形貌均呈等间距阵列，两种织构形貌横向与纵向之间分别存在一个大小相等的偏移量，且偏移量为相邻的同种织构形貌间距的一半。

7.根据权利要求5所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述织构形貌间距大于织构直径是指织构形貌中心间的距离大于织构形貌中心到该织构形貌所占区域的最大边缘轮廓间的距离。

8.根据权利要求4所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述凹体形貌为凹腔直径D₁=50~300μm，凹腔深度d₁=5~30μm，凹腔间距L₁=350~1000μm，面积占有率为S₁=2%~60%。

9.根据权利要求4所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述凹凸复合织构形貌为凹腔外径D₂=50~300μm，凹腔内径D₃=45~290μm，凹腔深度d₂=5~30μm，边缘凸台高度h=2~20μm，凹腔间距L₂=350~1000μm，面积占有率为S₂=2%~60%。

10.根据权利要求4所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述基体材料（1）为碳化硅、高速钢、铝合金、铸铁、硬质合金、陶瓷材料之一。

11.根据权利要求10所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述硬质涂层（3）为Al₂O₃、TiC、TiCN、CrN、ZrN、C₃N₄或TiAlN涂层之一，所述硬质涂层（3）厚度为1~2000μm，最小硬质硬质涂层（3）厚度大于最大织构深度。

12.根据权利要求10所述的一种带有织构化涂层表面的基体，其特征在于，所述软质涂层（5）为WS₂、MoS₂、TaS₂涂层或碳基薄膜涂层之一，软质涂层（5）厚度为1~1500μm。

13.实施权利要求1~12中任意一项所述一种带有织构化涂层表面的基体的制备方法，其特征在于，在对基体材料（1）涂覆硬质涂层（3）前，织构化基体材料（1）表面，在对硬质涂层（3）涂覆软质涂层（5）前，织构化硬质涂层（3）表面。

14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤:

将基体材料（1）抛光至Ra＜0.01的镜面，表面去油污处理，清洗并干燥充分；

在基体材料（1）表面指定区域加工出两种错位分布均匀的织构形貌，形成织构化基体表面；

在织构化基体表面沉积硬质涂层（3）；

在硬质涂层（3）表面指定区域加工出两种错与基体表面织构形貌错位分布均匀的织构形貌

在织构化后硬质涂层（3）表面沉积软质涂层（5）。

15.根据权利要求14或15所述的制备方法，其特征在于，所述织构化基体材料（1）表面和织构化硬质涂层（3）表面处理时伴随有辅助气体吹拂。

16.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述辅助气体为氧气、氮气、氩气和空气中的一种或几种的混合。

17.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述硬质涂层（3）采用阴极弧物理蒸发方法进行沉积；所述软质涂层（5）采用磁控离子溅射方法进行沉积。

18.根据权利要求15所述的一种带有织构化涂层表面的基体及制备方法，其特征在于，通过激光加工方法制备织构化表面；使用光纤激光器，脉冲宽度100~2000μm，抽运电压100~500V，脉冲频率1~100Hz，离焦量 0mm，扫描速率2.0~50mm/s。