CN108456843A - 一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN108456843A
CN108456843A CN201810053431.2A CN201810053431A CN108456843A CN 108456843 A CN108456843 A CN 108456843A CN 201810053431 A CN201810053431 A CN 201810053431A CN 108456843 A CN108456843 A CN 108456843A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
nano
alsin
high performance
tialsin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810053431.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108456843B (zh
Inventor
王启民
刘辞海
李季飞
吴正涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN201810053431.2A priority Critical patent/CN108456843B/zh
Publication of CN108456843A publication Critical patent/CN108456843A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108456843B publication Critical patent/CN108456843B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C23C14/025—Metallic sublayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用，该复合涂层包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层；其中，所述的CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr：40～75at.％和N：25～60at.％，所述的TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti：15～55at.％，Al：14～50at.％，Si：2～12at.％，N：12～53at.％。脉冲电弧制备出的该复合涂层具有非晶a‑Si3N4包裹纳米晶nc‑TiAlN的纳米复合结构，具有组织结构致密、表面光滑、应力地，且高温下摩擦系数低的特性。主要应用在机械零部件和刀模具表面防护领域。

Description

一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于真空技术领域，更具体地，涉及一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，在工模具、机械零部件等产品上涂覆金属氮化物来提高产品表面性能和使用寿命的方法已经成为一种广泛应用的表面改性技术。随着涂层技术不断地发展，新型的纳米复合结构涂层，由于Si元素的掺入形成了非晶态的Si3N4包裹着纳米尺寸的金属氮化物晶体，使得涂层具有超高硬度(>40GPa)、高韧性、优异的高温稳定性和热硬性(>1000℃)、高的抗氧化性等，符合现代制造业对涂层的高硬度、高韧性、高耐磨性和高温性能的要求。
目前物理气相沉积(PVD)中电弧离子镀和磁控溅射的运用最为广泛。其中，电弧离子镀比磁控溅射离化率更高，耐磨性更强，膜基结合力更好，是硬质涂层刀具的主流选择。但传统的阴极电弧离子镀沉积的薄膜表面不可避免的存在大颗粒，表面粗糙，导致涂层刀具切削时摩擦力大，产热更多，更容易磨损。采用脉冲电弧制备的方法，可以产生更高密度的等离子体，离化率更高，沉积速率更快。制备出的薄膜表面大颗粒明显减少，膜层组织更加的致密，在高温下摩擦系数显著降低，膜基结合力更高。
利用脉冲电弧制备TiAlSiN纳米复合涂层的方法，还未见报道，沉积有TiAlSiN基纳米复合涂层的硬质合金刀具，是目前提高硬质薄膜性能的重要发展方向之一。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层。该复合涂层具有非晶a-Si3N4相包裹纳米晶相nc-TiAlN的纳米复合结构，同时具有应力低、膜-基结合力强、硬度高和高温低摩擦的高性能。
本发明的另一目的在于提供上述TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述TiAlSiN纳米复合涂层的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，该复合涂层包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层；其中，所述的CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr：40～75at.％和N：25～60at.％，所述的TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti：15～55at.％，Al：14～50at.％，Si：2～12at.％，N：12～53at.％。
优选地，所述的Cr结合层的厚度为0.2～0.8μm，所述的CrN过渡层的厚度为0.5～1.2μm，所述的TiAlSiN功能层的厚度为2.5～4μm。
上述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.金属基体溶液清洗；
S2.脉冲刻蚀：打开加热器升温至300～500℃，将真空室抽真空至真空度1.0～8.0×10-3Pa；然后通入Ar气和Kr气，设置工件偏压-600～-1000V，频率为10～350kHz，转速2～5转/min，对金属基体表面进行脉冲刻蚀；
S3.直流刻蚀：通入Ar气和Kr气，调节偏压至-100～-300V，设定离子源电流为15～40A，转速为2～5转/min，对金属基体进行气体离子源直流刻蚀；
S4.沉积Cr结合层：将偏压调至-100～-200V，通入Ar气，点燃Cr靶，调节气压至1.0～3.0Pa，温度为350～500℃，转速为2～5转/min，脉冲电弧电源波形为矩形波，平均电流70～120A，频率：5～150Hz，占空比：5％～70％，弧源电磁线圈输出电流：0.5～5A，沉积Cr结合层；
S5.沉积CrN过渡层：将偏压调至-60～-150V，通入N2气，点燃Cr靶，调节气压至1.0～3.0Pa，温度为350～500℃，转速为2～5转/min，脉冲电弧电源波形为矩形波，平均电流70～120A，频率：5～150Hz，占空比：5％～70％，弧源电磁线圈输出电流：0.5～5A，沉积CrN过渡层；
S6.沉积TiAlSiN功能层：将偏压调至-60～-150V，通入N2气，点燃TiAlSi靶，调节气压至1.0～3.0Pa，温度350～500℃，转速为2～5转/min，脉冲电弧电源波形为矩形波，平均电流70～120A，频率：5～150Hz，占空比：5％～70％，弧源电磁线圈输出电流：0.5～5A，沉积TiAlSiN功能层，制得高性能TiAlSiN纳米复合涂层。
优选地，步骤S1中所述的溶液为丙酮或乙醇，所述的金属基体为硬质合金WC-Co。
优选地，步骤S2中所述的Ar气的体积流量为200～500sccm，所述的Kr气的体积流量为150～450sccm，所述的脉冲刻蚀的时间为5～20min。
优选地，步骤S3中所述的Ar气的体积流量为200～500sccm，所述的Kr气的体积流量为150～450sccm，所述的直流刻蚀的时间为30～60min。
优选地，步骤S4中所述的Ar气的体积流量为200～450sccm；所述的沉积的时间为20～35min。
优选地，步骤S5中所述的N2气的体积流量为300～650sccm，所述的沉积的时间为25～45min。
优选地，步骤S6中所述N2气的体积流量为300～650sccm，所述的沉积的时间为120～180min。
上述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层在机械零部件和刀模具表面防护领域中的应用。
本发明TiAlSiN纳米复合涂层各层均采用脉冲电弧离子镀技术制备。其中，Cr结合层用于活化金属基体，提高膜基结合力，CrN过渡层一方面是为了进一步提高结合力，另一方面为TiAlSiN功能层提供有力支撑。TiAlSiN功能层的硬度高，膜基结合好，高温条件下摩擦系数降低。本发明的脉冲波形为方波，在一个周期T内，脉冲电流由最小值到最大值波动，区间范围为Ip。占空比为有效电流时间占总周期时间的百分比，等于t/T。其中频率f＝1/T。有效的电流脉冲，使弧斑跑动更加迅速，能避免弧斑停留于靶材某一位置过久而造成膜层表面颗粒过大。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明使用的脉冲电弧离子镀技术，制备出的TiAlSiN纳米复合涂层具有非晶a-Si3N4相包裹纳米晶相nc-TiAlN的纳米复合结构。该复合涂层的表面大颗粒较少，膜层组织更加致密，同时具有应力低、膜-基结合力强、硬度高和高温下摩擦系数低的高性能。
2.本发明采用脉冲电弧离子镀技术制备纳米复合涂层，通过控制氮气与氩气流量、脉冲峰值电流和沉积时间等，在基体表面依次沉积Cr层、CrN层以及TiAlSiN层。相比传统电弧离子镀，本发明脉冲电弧离子镀可以产生更高密度的等离子体，沉积速率更快。
3.与现有制备的CrN和TiAlSiN涂层相比，本发明的制备方法简单易行，综合性能更好，可实现批量生产，适用于机械零部件、刀模具等产品表面的防护，具有较好的经济效益。
附图说明
图1是本发明TiAlSiN纳米复合涂层的结构示意图。
图2是本发明TiAlSiN纳米复合涂层的脉冲电源波形示意图。
图3是实施例3中的脉冲电弧与对比例1中传统电弧制备的TiAlSiN靶面的弧斑运动轨迹的对比。
图4是实施例4中的脉冲电弧与对比例2中传统电弧制备的TiAlSiN薄膜表面SEM照片。
图5是实施例5中TiAlSiN纳米复合涂层的XRD图。
图6是实施例7中TiAlSiN纳米复合涂层在常温(25℃)和高温(600℃)下的摩擦系数。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:50at.％和N:50at.％。TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti:15at.％，Al:36at.％，Si:10at.％，N:39at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗10min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至300℃，真空室抽真空至真空度1.0×10-3Pa。通入200sccm的Ar气和250sccm的Kr气，设置工件支架偏压-650V，转速2r/min，频率100KHz，对基体表面进行脉冲刻蚀清洗，轰击时间6min。之后将偏压降至-250V，设定离子源电流30A，用离子源直流刻蚀，轰击基体40min。将偏压调至-200V，通入300sccm的Ar气，设定脉冲电流平均值为70A，占空比10％，电源频率50Hz，调节气压至1.2Pa，沉积Cr结合层5min。将偏压调至-60V，点燃Cr靶，通入400sccm的N2气，设定脉冲电流平均值75A，占空比10％，电源频率50Hz，调节气压至1.5Pa，沉积CrN时间25min。最后通入500sccm的N2气，偏压设为-80V，打开TiAlSi靶，设定脉冲电流平均值80A，占空比15％，电源频率50Hz，调节气压至1.8Pa，沉积TiAlSiN时间120min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。
3.测试：Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层的厚度分别为0.4μm、0.8μm和2.8μm。
图1为高性能TiAlSiN纳米复合涂层的结构示意图。该复合涂层的结构包括Cr金属结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层。图1中各层均采用脉冲电弧离子镀技术制备。Cr金属结合层是用于活化金属基体，提高膜基结合力，CrN过渡层一方面是为了进一步提高结合力，另一方面为TiAlSiN功能层提供有力支撑。TiAlSiN功能层的硬度高，膜基结合好，高温条件下摩擦系数降低。
图2是本发明TiAlSiN纳米复合涂层的脉冲电源波形示意图。脉冲波形为方波，在一个周期T内，脉冲电流由最小值到最大值波动，区间范围为Ip。占空比为有效电流时间占总周期时间的百分比，等于t/T。其中频率f＝1/T。有效的电流脉冲，使弧斑跑动更加迅速，能避免弧斑停留于靶材某一位置过久而造成膜层表面颗粒过大。
实施例2
1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:70at.％,N:30at.％。TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti:32at.％,Al:50at.％,Si:6at.％,N:12at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗15min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至350℃，真空室抽真空至真空度2×10-3Pa以下。通入250sccm的Ar气和350sccm的Kr气，设置工件支架偏压-700V，转速2.5r/min，频率150KHz，对基体表面进行脉冲刻蚀清洗，轰击时间10min。之后将偏压降至-120V，设定离子源电流10A，用离子源直流刻蚀，轰击基体35min。将偏压调至-100V，通入400sccm的Ar气，设定脉冲电流平均值为85A，占空比30％，电源频率100Hz，调节气压至1.5Pa，沉积Cr结合层10min。将偏压调至-90V，点燃Cr靶，通入450sccm的N2气，设定脉冲电流平均值85A，占空比30％，电源频率100Hz，调节气压至1.5Pa，沉积CrN时间35min。最后通入600sccm的N2气，偏压设为-90V，打开TiAlSi靶，设定脉冲电流平均值85A，占空比30％，电源频率100Hz，调节气压至2Pa，沉积TiAlSiN时间150min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。
3.测试：Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层的厚度分别为0.8μm、1.2μm和3.2μm。
实施例3
1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:40at.％,N:60at.％。TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti:29at.％,Al:14at.％,Si:4at.％,N:53at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗18min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至400℃，真空室抽真空至真空度5×10-3Pa以下。通入350sccm的Ar气和200sccm的Kr气，设置工件支架偏压-850V，转速4r/min，频率300KHz，对基体表面进行脉冲刻蚀清洗，轰击时间15min。之后将偏压降至-100V，设定离子源电流20A，用离子源直流刻蚀，轰击基体40min。将偏压调至-120V，通入350sccm的Ar气，设定脉冲电流平均值为90A，占空比50％，电源频率120Hz，调节气压至2Pa，沉积Cr结合层18min。将偏压调至-120V，点燃Cr靶，通入500sccm的N2气，设定脉冲电流平均值90A，占空比50％，电源频率120Hz，调节气压至2Pa，沉积CrN时间40min。最后通入500sccm的N2气，偏压设为-120V，打开TiAlSi靶，设定脉冲电流平均值90A，占空比50％，电源频率150Hz，调节气压至2Pa，沉积TiAlSiN时间120min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。
3.测试：Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层的厚度分别为0.6μm、1μm和3.5μm。
图3是本实施例中脉冲电弧(左图)与对比例1中传统电弧(右图)制备的TiAlSiN靶面的弧斑运动轨迹对比。用单反照相机，采用相同快门速度抓拍下的弧斑运动图。从图3中明显看出，脉冲电弧的弧斑运动更加弥散、更加均匀分布于整个靶面。使靶材烧蚀更加均匀，涂层薄膜表面质量更好。
对比例1
1.一种传统电弧TiAlSiN涂层中各元素百分比为Ti：28at.％，Al:24at.％,Si:7at.％,N:41at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗18min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至400℃，真空室抽真空至真空度5×10-3Pa以下。通入300sccm的Ar气，设置工件支架偏压为-850V，转速为4r/min，打开Cr靶，设定电流值为90A，对基体进行金属Cr离子轰击5min。通入N2气，设置偏压为-120V，打开TiAlSi靶，设定电流为90A，调节气压至2Pa，沉积TiAlSiN时间为120min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。
3.测试：TiAlSiN薄膜厚度为3.2μm。
实施例4
1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:55at.％,N:45at.％。TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti:55at.％,Al:26at.％,Si:2at.％,N:17at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗20min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至450℃，真空室抽真空至真空度6×10-3Pa以下。通入450sccm的Ar气和250sccm的Kr气，设置工件支架偏压-900V，转速3.5r/min，频率400KHz，对基体表面进行脉冲刻蚀清洗，轰击时间12min。之后将偏压降至-120V，设定离子源电流30A，用离子源直流刻蚀，轰击基体35min。将偏压调至-100V，通入350sccm的Ar气，设定脉冲电流平均值为120A，占空比70％，电源频率150Hz，调节气压至2.5Pa，沉积Cr结合层30min。将偏压调至-150V，点燃Cr靶，通入600sccm的N2气，设定脉冲电流平均值120A，占空比70％，电源频率150Hz，调节气压至2.5Pa，沉积CrN时间30min。最后通入550sccm的N2气，偏压设为-150V，打开TiAlSi靶，设定脉冲电流平均值120A，占空比70％，电源频率150Hz，调节气压至2.5Pa，沉积TiAlSiN时间180min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层的厚度分别为0.5μm、1.2μm和4μm。
图4中a图是本实施中脉冲电弧离子镀沉积下的TiAlSiN表面SEM照片，b图是对比例2中传统电弧离子镀沉积的TiAlSiN表面SEM照片。经比较可知，在放大相同倍数的情况下，可以明显看出脉冲电弧沉积的TiAlSiN薄膜表面的大颗粒比传统电弧要少很多，膜层组织也更加致密。
对比例2
1.一种传统电弧TiAlSiN涂层中各元素百分比为Ti：28at.％，Al:24at.％,Si:7at.％,N:41at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗20min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至450℃，真空室抽真空至真空度6×10-3Pa以下。通入300sccm的Ar气，设置工件支架偏压为-800V，转速为4r/min，打开Cr靶，设定电流值为120A，对基体进行金属离子轰击5min。通入N2气，设置偏压为-150V，打开TiAlSi靶，设定电流为120A，调节气压至2Pa，沉积TiAlSiN时间为180min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。
3.测试：TiAlSiN涂层薄膜厚度为3.5μm。
实施例5
1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:75at.％,N:25at.％。TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti:35at.％,Al:27at.％,Si:12at.％,N:26at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗12min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至420℃，真空室抽真空至真空度5×10-3Pa以下。通入450sccm的Ar气和250sccm的Kr气，设置工件支架偏压-850V，转速2r/min，频率100KHz，对基体表面进行脉冲刻蚀清洗，轰击时间12min。之后将偏压降至-100V，设定离子源电流38A，用离子源直流刻蚀，轰击基体36min。将偏压调至-100V，通入350sccm的Ar气，设定脉冲电流平均值为120A，占空比35％，电源频率150Hz，调节气压至2Pa，沉积Cr结合层32min。将偏压调至-120V，点燃Cr靶，通入550sccm的N2气，设定脉冲电流平均值120A，占空比35％，电源频率150Hz，调节气压至2Pa，沉积CrN时间38min。最后通入550sccm的N2气，偏压设为-120V，打开TiAlSi靶，设定脉冲电流平均值120A，占空比35％，电源频率150Hz，调节气压至2Pa，沉积TiAlSiN时间180min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层的厚度分别为0.3μm、0.6μm和2.8μm。
图5为本实施例中TiAlSiN纳米复合涂层的XRD图。从图5中可以看到随着偏压的增加，TiN的(200)峰逐渐减弱，(111)峰逐渐增强，可知TiN晶粒的择优取向发生了变化。同时，图5中没有Si3N4的衍射峰，表明为非晶结构，可推测该纳米复合结构由非晶的a-Si3N4包裹着纳米尺寸的nc-TiAlN构成。
实施例6
1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:66at.％,N:34at.％。TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti:40at.％,Al:22at.％,Si:7at.％,N:31at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗8min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至360℃，真空室抽真空至真空度2.8×10-3Pa。通入420sccm的Ar气和360sccm的Kr气，设置工件支架偏压-950V，转速4r/min，频率350KHz，对基体表面进行脉冲刻蚀清洗，轰击时间18min。之后将偏压降至-90V，设定离子源电流20A，用离子源直流刻蚀，轰击基体40min。将偏压调至-90V，通入420sccm的Ar气，设定脉冲电流平均值为82A，占空比12％，电源频率75Hz，调节气压至2.5Pa，沉积Cr结合层35min。将偏压调至-90V，点燃Cr靶，通入450sccm的N2气，设定脉冲电流平均值82A，占空比12％，电源频率75Hz，调节气压至2.5Pa，沉积CrN时间42min。最后通入520sccm的N2气，偏压设为-90V，打开TiAlSi靶，设定脉冲电流平均值90A，占空比12％，电源频率75Hz，调节气压至2.5Pa，沉积TiAlSiN时间160min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。
3.测试：Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层的厚度分别为0.25μm、0.72μm和2.9μm。
实施例7
1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，由Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层组成，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:72at.％,N:28at.％。TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti:37at.％,Al:24at.％,Si:3at.％,N:36at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗6min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至440℃，真空室抽真空至真空度1.6×10-3Pa以下。通入450sccm的Ar气和380sccm的Kr气，设置工件支架偏压-820V，转速3.5r/min，频率120KHz，对基体表面进行脉冲刻蚀清洗，轰击时间20min。之后将偏压降至-70V，设定离子源电流24A，用离子源直流刻蚀，轰击基体32min。将偏压调至-70V，通入380sccm的Ar气，设定脉冲电流平均值为95A，占空比50％，电源频率95Hz，调节气压至1.6Pa，沉积Cr结合层35min。将偏压调至-70V，点燃Cr靶，通入480sccm的N2气，设定脉冲电流平均值95A，占空比50％，电源频率95Hz，调节气压至1.6Pa，沉积CrN时间46min。最后通入520sccm的N2气，偏压设为-70V，打开TiAlSi靶，设定脉冲电流平均值95A，占空比50％，电源频率95Hz，调节气压至1.6Pa，沉积TiAlSiN时间135min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。
3.测试：Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层的厚度分别为0.7μm、1.1μm和3.4μm。
对本实施例进行TiAlSiN纳米复合涂层的摩擦磨损性能测试。摩擦试验在高温摩擦磨损试验机上进行，采用纯度Al2O3球作为磨球(不同温度下各测试一次)。试验线速度设定为18cm/s，半径为2.0mm，载荷选用5N。每一种温度下涂层进行15000圈摩擦，涂层的摩擦因数在摩擦过程中由软件自带给出。图6为室温下(25℃)和高温下(600℃)本实施例制备的TiAlSiN纳米复合涂层的摩擦系数对比图。从图6中可观察到600℃下实施例制备的TiAlSiN纳米复合涂层的平均摩擦系数比常温下要低，具有高温低摩擦性。
实施例8
1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层，CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:42at.％,N:58at.％。TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti:32at.％,Al:28at.％,Si:8at.％,N:34at.％。
2.制备：将硬质合金WC-Co抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗12min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至520℃，真空室抽真空至真空度1.8×10-3Pa以下。通入380sccm的Ar气和260sccm的Kr气，设置工件支架偏压-880V，转速2.5r/min，频率220KHz，对基体表面进行脉冲刻蚀清洗，轰击时间16min。之后将偏压降至-130V，设定离子源电流28A，用离子源直流刻蚀，轰击基体28min。将偏压调至-115V，通入380sccm的Ar气，设定脉冲电流平均值为105A，占空比55％，电源频率95Hz，调节气压至1.8Pa，沉积Cr结合层35min。将偏压调至-90V，点燃Cr靶，通入520sccm的N2气，设定脉冲电流平均值105A，占空比55％，电源频率95Hz，调节气压至1.8Pa，沉积CrN时间40min。最后通入520sccm的N2气，偏压设为-90V，打开TiAlSi靶，设定脉冲电流平均值105A，占空比52％，电源频率95Hz，调节气压至1.8Pa，沉积TiAlSiN时间125min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。
3.测试：Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层的厚度分别为0.8μm、1μm和3.8μm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层，其特征在于，该复合涂层包括Cr结合层、CrN过渡层和TiAlSiN功能层；其中，所述的CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr：40～75at.％和N：25～60at.％，所述的TiAlSiN功能层中各元素的原子百分比含量为：Ti：15～55at.％，Al：14～50at.％，Si：2～12at.％，N：12～53at.％。
2.根据权利要求1所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层，其特征在于，所述的Cr结合层的厚度为0.2～0.8μm，所述的CrN过渡层的厚度为0.5～1.2μm，所述的TiAlSiN功能层的厚度为2.5～4μm。
3.根据权利要求1或2所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.金属基体溶液清洗；
S2.脉冲刻蚀：打开加热器升温至300～500℃，将真空室抽真空至真空度1.0～8.0×10-3Pa；然后通入Ar气和Kr气，设置工件偏压-600～-1000V，频率为10～350kHz，转速2～5转/min，对金属基体表面进行脉冲刻蚀；
S3.直流刻蚀：通入Ar气和Kr气，调节偏压至-100～-300V，设定离子源电流为15～40A，转速为2～5转/min，对金属基体进行气体离子源直流刻蚀；
S4.沉积Cr结合层：将偏压调至-100～-200V，通入Ar气，点燃Cr靶，调节气压至1.0～3.0Pa，温度为350～500℃，转速为2～5转/min，脉冲电弧电源波形为矩形波，平均电流70～120A，频率：5～150Hz，占空比：5％～70％，弧源电磁线圈输出电流：0.5～5A，沉积Cr结合层；
S5.沉积CrN过渡层：将偏压调至-60～-150V，通入N2气，点燃Cr靶，调节气压至1.0～3.0Pa，温度为350～500℃，转速为2～5转/min，脉冲电弧电源波形为矩形波，平均电流70～120A，频率：5～150Hz，占空比：5％～70％，弧源电磁线圈输出电流：0.5～5A，沉积CrN过渡层；
S6.沉积TiAlSiN功能层：将偏压调至-60～-150V，通入N2气，点燃TiAlSi靶，调节气压至1.0～3.0Pa，温度350～500℃，转速为2～5转/min，脉冲电弧电源波形为矩形波，平均电流70～120A，频率：5～150Hz，占空比：5％～70％，弧源电磁线圈输出电流：0.5～5A，沉积TiAlSiN功能层，制得高性能TiAlSiN纳米复合涂层。
4.根据权利要求3所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的溶液为丙酮或乙醇，所述的金属基体为硬质合金WC-Co。
5.根据权利要求3所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述的Ar气的体积流量为200～500sccm，所述的Kr气的体积流量为150～450sccm，所述的脉冲刻蚀的时间为5～20min。
6.根据权利要求3所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述的Ar气的体积流量为200～500sccm，所述的Kr气的体积流量为150～450sccm，所述的直流刻蚀的时间为30～60min。
7.根据权利要求3所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述的Ar气的体积流量为200～450sccm；所述的沉积的时间为20～35min。
8.根据权利要求3所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述的N2气的体积流量为300～650sccm，所述的沉积的时间为25～45min。
9.根据权利要求3所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S6中所述N2气的体积流量为300～650sccm，所述的沉积的时间为120～180min。
10.权利要求1或2所述的高性能TiAlSiN纳米复合涂层在机械零部件和刀模具表面防护领域中的应用。
CN201810053431.2A 2018-01-19 2018-01-19 一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用 Active CN108456843B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810053431.2A CN108456843B (zh) 2018-01-19 2018-01-19 一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810053431.2A CN108456843B (zh) 2018-01-19 2018-01-19 一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108456843A true CN108456843A (zh) 2018-08-28
CN108456843B CN108456843B (zh) 2021-01-19

Family

ID=63221002

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810053431.2A Active CN108456843B (zh) 2018-01-19 2018-01-19 一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108456843B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108796432A (zh) * 2018-09-12 2018-11-13 广东工业大学 一种AlTiN涂层及其制备方法
CN109666887A (zh) * 2018-12-28 2019-04-23 广东工业大学 一种TiAlN硬质涂层及其制备方法和应用
CN109735806A (zh) * 2019-01-21 2019-05-10 超微中程纳米科技（苏州）有限公司 一种铣刀纳米涂层及其制备方法
CN111500998A (zh) * 2020-05-29 2020-08-07 华南理工大学 一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层及其一体化制备方法与应用
CN112522672A (zh) * 2020-11-18 2021-03-19 东莞市华升真空镀膜科技有限公司 一种非平衡磁场的高能脉冲磁控镀膜机及其制作加工工艺

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1369573A (zh) * 2001-02-01 2002-09-18 株式会社半导体能源研究所 沉积装置和沉积方法
CN104711513A (zh) * 2013-12-17 2015-06-17 上海航天设备制造总厂 一种固体润滑膜层及其制备方法
CN105695941A (zh) * 2016-01-22 2016-06-22 东莞沙头朝日五金电子制品有限公司 一种无氧镀制宝蓝色pvd膜的方法
CN107287555A (zh) * 2017-05-15 2017-10-24 广东工业大学 一种自组装纳米氧氮化物涂层及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1369573A (zh) * 2001-02-01 2002-09-18 株式会社半导体能源研究所 沉积装置和沉积方法
CN104711513A (zh) * 2013-12-17 2015-06-17 上海航天设备制造总厂 一种固体润滑膜层及其制备方法
CN105695941A (zh) * 2016-01-22 2016-06-22 东莞沙头朝日五金电子制品有限公司 一种无氧镀制宝蓝色pvd膜的方法
CN107287555A (zh) * 2017-05-15 2017-10-24 广东工业大学 一种自组装纳米氧氮化物涂层及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHANGJIE FENG等: "Oxidation behavior of the compound TiAlSiN 1Cr11Ni2W2MoV at 800℃ for 1000h in air", 《SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY》 *
曾琨等: "电弧离子镀TiAlN和TiAlSiN涂层的高温摩擦磨损行为", 《中国表面工程》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108796432A (zh) * 2018-09-12 2018-11-13 广东工业大学 一种AlTiN涂层及其制备方法
CN109666887A (zh) * 2018-12-28 2019-04-23 广东工业大学 一种TiAlN硬质涂层及其制备方法和应用
CN109666887B (zh) * 2018-12-28 2021-04-06 广东工业大学 一种TiAlN硬质涂层及其制备方法和应用
CN109735806A (zh) * 2019-01-21 2019-05-10 超微中程纳米科技（苏州）有限公司 一种铣刀纳米涂层及其制备方法
CN111500998A (zh) * 2020-05-29 2020-08-07 华南理工大学 一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层及其一体化制备方法与应用
CN112522672A (zh) * 2020-11-18 2021-03-19 东莞市华升真空镀膜科技有限公司 一种非平衡磁场的高能脉冲磁控镀膜机及其制作加工工艺
CN112522672B (zh) * 2020-11-18 2022-05-17 东莞市华升真空镀膜科技有限公司 一种非平衡磁场的高能脉冲磁控镀膜机及其制作加工工艺

Also Published As

Publication number Publication date
CN108456843B (zh) 2021-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108456843A (zh) 一种高性能TiAlSiN纳米复合涂层及其制备方法和应用
CN109161841B (zh) 一种AlCrN/AlCrSiN超硬纳米复合多层涂层及其制备方法和应用
CN107227441B (zh) 一种基于反应溅射迟滞效应的TiAlSiN涂层制备方法
CN106702331B (zh) 一种高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层及其制备方法和应用
CN107287555B (zh) 一种自组装纳米氧氮化物涂层及其制备方法和应用
WO2019072084A1 (zh) 一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具
CN107254662B (zh) 蓝色复合薄膜及其制备方法
CN108251797B (zh) 一种钛合金切削刀具用TiAlN/CrN多层涂层及其制备方法
CN107557736B (zh) 一种AlCrSiVN纳米复合涂层及其制备方法
JP7382124B2 (ja) 改良されたコーティングプロセス
CN108796432A (zh) 一种AlTiN涂层及其制备方法
CN108468028A (zh) 一种周期性多层结构AlTiYN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用
CN109097743A (zh) 一种超硬W-Cr-Al-Ti-N纳米梯度多层膜及其制备方法
CN109666906A (zh) 一种高温抗氧化AlCrYN涂层及其制备方法和应用
CN108866481B (zh) 一种纳米复合Al-Ti-V-Cu-N涂层及其制备方法和应用
CN106756841A (zh) 一种刀具复合涂层的制备方法
CN113174570B (zh) 一种高韧性TiAlNiN涂层及其制备方法和应用
CN106676470B (zh) 一种AlTiON热作模具钢复合梯度涂层及其制备方法
CN107190229A (zh) 一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法
US5595814A (en) Wear resistant film
CN108220875B (zh) 一种自组装Ti-Al氮化物多层涂层刀具及其制备方法
CN112553580B (zh) 一种二硼化物复合涂层及其制备方法和应用
CN113174571B (zh) 一种超微晶二硼化钛复合涂层及其制备方法和应用
CN111647849B (zh) 高硬度AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层复合涂层及其制备
JPH04297568A (ja) 耐摩耗性のすぐれた表面被覆部材及び皮膜形成方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant