CN108474108A - 在高温下用于玻璃基材料成形的具有涂层的模具 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有多层涂层的模具。所述模具包括模具主体，所述模具主体具有外表面和设置在所述外表面上的多层涂层。所述多层涂层可以包括设置在模具主体的外表面上的扩散阻挡层和设置在扩散阻挡层上的金属间化合物层，其中，所述金属间化合物层包括Ti、Al、和选自Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及其组合的附加金属。扩散阻挡层可以限制金属从模具主体扩散到金属间化合物层。

Description

在高温下用于玻璃基材料成形的具有涂层的模具

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2016年1月20日提交的系列号为62/280885的美国临时申请的优先权权益，本申请以该申请的内容为基础，并且通过引用的方式全文纳入本文。

背景

技术领域

本说明书一般涉及用于对玻璃基材料进行成形的模具，更具体而言，涉及在高温下用于玻璃基材料成形的具有涂层的模具。

背景技术

可通过将玻璃加热到粘弹性状态并使玻璃与模具接触来将玻璃制品成形成3D形状。然而，利用高软化点的玻璃组合物(例如碱金属硅铝酸盐玻璃组合物)来形成三维形状的玻璃制品可具有挑战性。例如，一些玻璃组合物具有高软化点(有时候高于900℃)，由于需要将玻璃加热到更高温度以达到适于成形的粘弹性状态，因此这使得精密模制工艺变得更加困难。另外，一些玻璃组合物具有高百分比的钠(例如大于10摩尔％)。钠在高温下可高度移动并且具有高度反应性。在高温下，模具表面与钠接触可使模具表面降解，并随后使模制的玻璃品质下降。再者，玻璃中的凹点可能是由微粒污染物引起的，例如来自模具的污染物。凹点还可能由玻璃粘着于模具表面造成的，其中玻璃与模具的结合强度超过了玻璃的强度，从而由于所谓的“取出”而在玻璃中产生凹块(divot)。在3D模制玻璃表面上可以观察到其他外观缺陷，例如污渍和/或划痕，特别是当利用高成型温度和较长的接触时间时。

因此，当对玻璃基材料进行成形时，需要与高温兼容的具有涂层的模具。

发明内容

在第1个方面中，一种模具包括模具主体，所述模具主体具有外表面和设置在所述外表面上的多层涂层。所述多层涂层包括设置在模具主体的外表面上的扩散阻挡层和设置在扩散阻挡层上的金属间化合物层，其中，所述金属间化合物层包括Ti、Al、和选自Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及其组合的附加金属。扩散阻挡层限制金属从模具主体扩散到金属间化合物层。

在根据第1个方面所述的第2个方面中，多层涂层还包括设置在扩散阻挡层与金属间化合物层之间的过渡层，其中，所述过渡层包括氮含量的改变，其中在最接近扩散阻挡层的一部分过渡层中具有较高的氮摩尔含量，并且在最接近金属间化合物层的一部分过渡层中具有较低的氮摩尔含量。

在根据前述任一个方面所述的第3个方面中，所述金属间化合物层包括附加金属的含量改变，其中，在最接近扩散阻挡层的一部分金属间化合物层中具有较低的附加金属的摩尔含量，并且在离扩散阻挡层最远的一部分金属间化合物层中具有较高的附加金属的摩尔含量。

在根据前述任一个方面所述的第4个方面中，多层涂层还包括设置在所述金属间化合物层上的经过氧化的金属间化合物层。

在根据前述方面中任一个方面所述的第5个方面中，在多层涂层中的钛摩尔含量与铝摩尔含量的比值在约0.67至约1的范围内。

在根据第1至第4个方面中任一个方面所述的第6个方面中，在多层涂层中的钛摩尔含量与铝摩尔含量的比值为约1。

在根据第1至第4个方面中任一个方面所述的第7个方面中，在多层涂层中的钛摩尔含量与铝摩尔含量的比值大于或等于约0.67且小于约1。

在根据前述任一个方面所述的第8个方面中，金属间化合物层中的钛与铝的摩尔浓度之和大于或等于金属间化合物层中的附加金属的摩尔浓度。

在第1至第7个方面中任一个方面所述的第9个方面中，金属间化合物层中的钛与铝的摩尔浓度之和小于金属间化合物层中的附加金属的摩尔浓度。

在根据前述任一个方面所述的第10个方面中，多层涂层还包括设置在金属间化合物层上的金属层，所述金属层包含金属间化合物层中的附加金属。

在根据第10个方面所述的第11个方面中，所述金属间化合物层包括附加金属的含量改变，其中，在最接近扩散阻挡层的一部分金属间化合物层中具有较低的附加金属的摩尔含量，并且在最接近金属层的一部分金属间化合物层中具有较高的附加金属的摩尔含量。

在根据第10或第11个方面所述的第12个方面中，多层涂层还包括设置在所述金属层上的经过氧化的金属层。

在根据前述任一个方面所述的第13个方面中，所述附加金属为锆。

在根据前述任一个方面所述的第14个方面中，所述模具主体主要为选自下组的金属：铁、镍、铬、铜、其混合物及其合金。

在以下的具体实施方式中提出了本文所述的实施方式的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的实施方式而被认识。

应理解，前述的一般性描述和下文的详细描述都描述了各个实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式，并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。

附图说明

以下是附图的简述。应注意的是，附图不是按比例绘制的，并且不旨在对附图所示的各个层的相对尺寸进行比较。

图1根据本文所示及所述的一个或多个实施方式，示意性地示出了在模具主体上的一种多层涂层的截面图；

图2根据本文所示及所述的一个或多个实施方式，示意性地示出了在模具主体上的一种多层涂层的截面图；

图3根据本文所示及所述的一个或多个实施方式，示意性地示出了在模具主体上的一种多层涂层的截面图；

图4A-4C根据本文所示及所述的一个或多个实施方式，示意性地示出了在模具主体上的一种多层涂层的截面图；

图5A-5F根据本文所示及所述的一个或多个实施方式，示意性地示出了在模具主体上的一种多层涂层的截面图；

图6是每种元素的原子量百分比与经过涂覆的模具的深度之间的关系图；

图7是比较用不同模具成形的玻璃片材的表面粗糙度的图；

图8是当在实施例2中讨论的镍201模具上对玻璃进行成形时，玻璃和模具的示例性热分布曲线和真空分布曲线；以及

图9是当在实施例2中讨论的Inconel 600(英科乃尔600)模具上对玻璃进行成形时，玻璃和模具的示例性热分布曲线和真空分布曲线。

具体实施方式

下面将详细参考用于对玻璃基材料进行成形的具有涂层的模具的各个实施方式，这些实施方式的实例在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。

以下描述作为能够实施的教导来提供。为此，本领域技术人员应当意识和体会到，可以对本文所述的各个实施方式进行各种改变，同时仍然能够达到所述有益的结果。还应显而易见的是，期望的益处中的一部分可以通过选择一些特征而不利用其他特征来获得。因此，本领域技术人员应认识到，对本公开的实施方式进行许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是希望的，并且是本说明书的一部分。因此，下文的描述只是作为说明性的，且不应解释为构成限制。

在本说明书和下面的权利要求书中提到许多术语，这些术语具有本文所述的含义。

术语“约”涉及所有范围内的项，另有说明的除外。例如，约1、2或3相当于约1、约2或约3，并且还包括约1-3，约1-2以及约2-3。组合物、组分、成分、添加剂和类似方面的公开的具体数值和优选数值及其范围仅用于说明，它们不排除其他限定的数值或所限定的范围内的其他数值。本公开的组合物和方法包括具有本文所述的任何数值或数值的任何组合、具体数值、更具体的数值和优选数值的组合物和方法。

除非另外说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。

本文所用术语“玻璃基”包括玻璃材料和玻璃陶瓷材料。

本文所用术语“基材”描述的是可成形为三维结构的玻璃基片材。

一般来说，本文公开了用于对玻璃基材料进行成形的具有多层涂层的模具。所述模具可以用于将基本上平坦的玻璃基基材或片材成形成三维玻璃基制品。在一些实施方式中，所述模具可以包括模具主体，所述模具主体具有外表面和设置在至少一部分外表面上的多层涂层。模具主体的外表面可以具有三维表面轮廓，该三维表面轮廓对应于针对模具成形的玻璃基制品的期望的三维形状。在一些实施方式中，可以使用多于一个模具主体来形成玻璃基制品。例如，可以使两个模具主体接触玻璃基材料的相对侧。相应地，在两个模具的实施方式中，每个模具主体可以具有设置在模具主体上的多层涂层。本文所述的多层涂层可以提高模具的耐温性，提供对玻璃基材料粘着下降的表面，降低表面粗糙度以最大程度地减少或防止凹点压印到玻璃基材料上，提供抗划痕耐磨性，和/或通过保护下面的模具表面而在必须重新加工模具表面之前多次剥离和重新涂覆模具涂层来延长模具寿命。

图1示出了一个示例性模具100的部分截面图，所述模具100具有模具主体110，其具有表面112和设置在表面112的至少一部分上的多层涂层120。为了简便起见，图1中的模具100的部分截面图例示了模具主体110的表面112的一个平坦部分。然而，如上文所述，模具主体110的表面112可以具有三维表面轮廓，该三维表面轮廓对应于针对模具100成形的玻璃基制品的期望的三维形状。

模具100可以是能够使熔融玻璃成形的任意合适的模具。模具的实例包括但不限于工具(如模头)或其他制造用冲模(press)。模具主体110可以包括能够承受高温(例如760℃至900℃)的任意金属或其他材料，例如耐火金属、耐火陶瓷等。在一些实施方式中，模具主体110可以包括具有高硬度的任意金属或其他材料，所述高硬度例如洛氏(Rockwell)硬度大于65B。高硬度可以减少模具主体随着时间而由玻璃基材料导致的划痕或磨损，并且/或者可以提供对嵌入模具主体中的玻璃碎屑或其他污染物的抗性，所述玻璃碎屑或其他污染物可造成成形的玻璃基材料表面上的印记。在一些实施方式中，模具主体110可以为金属，所述金属包括但不限于铁、镍、铬和铜，及其混合物以及其合金。在一些实施方式中，模具主体110的表面112可以主要包括选自下组的金属：铁、镍、铬、铜、其混合物及其合金。如本文所用，“主要”意为来自上述组的金属占金属、混合物或合金的高于50重量％的金属、金属混合物或金属合金。说明性实例包括但不限于铸铁；钢或钢合金，例如H13、S7和P20；不锈钢309、310和420；以及镍合金，例如合金(例如，214)和合金(例如，718或600)。

在一些实施方式中，多层涂层120可以包括设置在模具主体110的表面112上的扩散阻挡层122和设置在扩散阻挡层122上的金属间化合物层124。本文所用的术语“设置”包括利用本领域已知的任何方法将材料涂覆、沉积和/或形成到表面上。短语“设置在……上”包括以下情形：将材料形成到表面上，以使材料直接接触表面，并且还包括以下情形：使材料在表面上形成，其中在设置的材料与表面之间有一种或多种中间材料。

在一些实施方式中，扩散阻挡层122可以包括氮化物，例如TiAlN、TiAlSiN、TiN、AlN、TiAlXN(其中X可以包括金属，例如但不限于Nb、Zr、Y、Mo或Hf)或其组合。在一些实施方式中，扩散阻挡层122的氮摩尔含量可以大于约30％。可以使用电子微探针或者使用X射线光电子能谱法(XPS)来测量氮摩尔含量。扩散阻挡层122可以限制金属从模具主体110扩散到多层涂层的最外层。如本文中所述，来自模具主体110的金属(例如Ni或Cr)在高温下可移动，并且它们在多层涂层的最外层中的存在可导致缺陷，例如凹点。另外，扩散阻挡层122还可以限制在玻璃基材料成形期间转移到模具100的最外层的玻璃材料从模具100的最外层扩散到模具主体110。一些玻璃材料，例如钠，可造成模具主体110的材料腐蚀。由于扩散阻挡层122防止和/或最大程度地减少了这些物质的扩散，因此扩散阻挡层122还防止和/或最大程度地减少了由这些物质导致的缺陷。

扩散阻挡层122还可以防止和/或最大程度地减少由于基底金属向外扩散到多层涂层中而在模具主体110中形成的空隙。具体来说，扩散阻挡层122防止和/或最大程度地减少基底金属扩散进入或者通过多层涂层的剩余部分，并因此减少向外扩散的金属在模具主体110中留下的空隙的形成。由于空隙可以利用扩散阻挡层122而形成得不那么严重和/或频繁，因此扩散阻挡层122能够实现模具的重复剥离和重新涂覆，并延长模具的使用寿命。在一些实施方式中，表面阻挡层122的厚度可在以下范围内：约25nm至约2,000nm、约100nm至约600nm、约300nm至约500nm或约1,000nm至约2,000nm。

在一些实施方式中，金属间化合物层124可以包括Ti、Al和选自下组的附加金属：Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及其组合。如在本文中所使用的，术语“金属间化合物”意为由两种或更多种类型的金属原子组成的材料，其以均匀的复合物质存在，并且在结构上与组成金属的结构间断性地不相同。附加金属可以是耐火金属，因为其与针对模具成形的玻璃基材料的反应性可以不那么高，因此其可以包含在金属间化合物层124中，并因而减少在成形期间玻璃基材料与模具的粘着，以及使成形的玻璃基材料具有更佳的表面外观。另外，由于可以为耐火金属的附加金属可以使多层涂层更加耐受高温(例如760℃至900℃)导致的损坏，因此其可以包含在金属间化合物层124中，所述高温是对具有高温软化点的玻璃基材料进行成形时，模具需要承受的。

在一些实施方式中，金属间化合物层124的组成可以基于其必需承受的温度来改变，所述温度基于待针对模具成形的玻璃基材料的软化点。对金属间化合物层124的组成进行改变可以包括改变附加金属的重量百分比、Ti的摩尔浓度与Al的摩尔浓度的比值和/或钛与铝在金属间化合物层中的摩尔浓度之和与附加金属在金属间化合物层中的摩尔浓度之间的关系。在一些实施方式中，金属间化合物层124可以包括在以下范围内的附加金属：约20重量％至约40重量％、约20重量％至约35重量％、约20重量％至约30重量％、约25重量％至约40重量％、约25重量％至约35重量％、约25重量％至约30重量％、约30重量％至约40重量％、约30重量％至约35重量％、或约35重量％至约40重量％。可以使用电子微探针、XPS或二次离子质谱法(SIMS)来测量重量百分比。在一些实施方式中，在金属间化合物层124中，Ti的摩尔浓度与Al的摩尔浓度的比值可以在约0.67至约1的范围内，在约0.67至小于约1的范围内，为约1，或者大于约1。在一些实施方式中，降低Al的摩尔浓度以降低金属间化合物层与针对模具成形的玻璃基材料的反应性，以及减少针对模具成形的玻璃基材料将粘着于模具的可能性。取决于针对模具成形的玻璃基材料的组成，在金属间化合物层124中的Ti的摩尔浓度与Al的摩尔浓度的比值可以大于1，以提高多层涂层可承受的温度。在一些实施方式中，当Ti的摩尔浓度与Al的摩尔浓度的比值在约0.67至小于约1的范围内时，多层涂层可以承受最高至约800℃的温度。在一些实施方式中，当Ti的摩尔浓度与Al的摩尔浓度的比值为约1时，多层涂层可以承受最高至约850℃的温度。在一些实施方式中，Ti与Al的摩尔浓度之和可以大于或等于Zr的摩尔浓度。在一些实施方式中，Ti与Al的摩尔浓度之和可以大于或等于Zr的摩尔浓度。可以使用电子微探针或XPS来测量各元素的摩尔浓度。

在一些实施方式中，金属间化合物层124可以为梯度层，其中，附加金属的量和/或Ti和Al的量在层的整个厚度中改变。在一些实施方式中，金属间化合物层124可以使附加金属含量改变，其中在最接近扩散阻挡层122的一部分金属间化合物层中具有较低的附加金属的摩尔含量，并且在离扩散阻挡层122最远的一部分金属间化合物层中具有较高的附加金属的摩尔含量。在一些实施方式中，附加金属含量的改变可以在金属间化合物层124的整个厚度中连续改变。在一些实施方式中，附加金属含量的改变可以在金属间化合物层124的整个厚度中间断改变。当扩散阻挡层122与金属间化合物层124的附加金属之间的热膨胀系数(CTE)存在差异时，改变附加金属的量可以是有用的。在一些实施方式中，金属间化合物层124可以使Ti和Al的含量改变，其中在最接近扩散阻挡层122的一部分金属间化合物层中具有较高的Ti和Al的摩尔含量，并且在离扩散阻挡层122最远的一部分金属间化合物层中具有较低的Ti和Al的摩尔含量。在一些实施方式中，Ti和Al的含量改变可以在金属间化合物层124的整个厚度中连续改变。在一些实施方式中，Ti和Al的含量改变可以在金属间化合物层124的整个厚度中间断改变。在一些实施方式中，金属间化合物层124的厚度可以在以下范围内：约25nm至约2,000nm、约100nm至约600nm、约300nm至约500nm或约1,000nm至约2,000nm。

在一些实施方式中，例如如图2所示，多层涂层220可以包括在扩散阻挡层122与金属间化合物层124之间的过渡层223，使得扩散阻挡层122可以被设置在模具主体110上，过渡层223可以被设置在扩散阻挡层122上，并且金属间化合物层124可以被设置在过渡层223上。图2的多层涂层220类似于图1的多层涂层120，不同之处在于其增加了过渡层223。除非另有说明，否则扩散阻挡层122和金属间化合物层124的特征与上文关于图1所述的相同。在一些实施方式中，除了过渡层223包含梯度递减的氮外，过渡层可以包含与扩散阻挡层122相同的组成。具体来说，在最接近扩散阻挡层122的一部分过渡层223中可以具有较高的氮摩尔含量，并且在最接近金属间化合物层124的一部分过渡层223中可以具有较低的氮摩尔含量或者不存在氮摩尔含量。例如，最接近扩散阻挡层122的过渡层223的部分可以为氮化物，例如TiAlN。在最接近金属间化合物层124的过渡层223的一侧，可以存在较少的氮或不存在氮。例如，在最接近金属间化合物层124的部分中，过渡层223可以主要包括TiAl或其氧化物，并且在最接近扩散阻挡层122的部分中，过渡层223可以主要包括TiAlN。在一些实施方式中，与扩散阻挡层122接触的过渡层223的部分可以包含至少约20％的氮摩尔含量，并且最接近金属间化合物层124的过渡层223的部分可以不含氮。不囿于理论，认为过渡层223可以降低多层涂层120中的机械应力，尤其是与氮化物层与非氮化物层直接接触的涂层进行比较时。由于多层涂层120中的不同化学物质可以具有不同的CTE，因此，可以通过形成一个层，并且该层利用化学物质的梯度来降低加热或冷却期间的机械应力，来降低多层涂层120的各层之间的机械应力。在一些实施方式中，过渡层223在其最接近扩散阻挡层122的表面处可以包含大于约30％的氮摩尔含量，并且在其最接近金属间化合物层124的表面处可以包含小于约30％的氮摩尔含量。在另一个实施方式中，过渡层223在其最接近扩散阻挡层122的表面处可以包含大于约35％的氮摩尔含量，并且在其最接近金属间化合物层124的表面处可以包含小于约25％的氮摩尔含量。在另一个实施方式中，过渡层223在其最接近扩散阻挡层116的表面处可以包含大于约40％的氮摩尔含量，并且在其最接近金属间化合物层124的表面处可以包含小于约20％的氮摩尔含量。在一些实施方式中，氮含量的改变可以在过渡层223的整个厚度中连续改变。在一些实施方式中，氮含量的改变可以在过渡层223的整个厚度中间断改变。应理解的是，过渡层223是任选的，并且在一些实施方式中，可以在无需过渡层的情况下形成多层涂层。在一些实施方式中，过渡层223的厚度可以在以下范围内：约25nm至约2,000nm、约100nm至约800nm、约200nm至约500nm或约800nm至约1,200nm。

在一些实施方式中，例如如图3所示，多层涂层320可以包括在过渡层223与金属间化合物层124之间的TiAl金属间化合物层335，使得扩散阻挡层122可以被设置在模具主体110上，过渡层223可以被设置在扩散阻挡层122上，TiAl金属间化合物层335可以被设置在过渡层223上，并且金属间化合物层124可以被设置在TiAl金属间化合物层335上。在一些实施方式中，TiAl金属间化合物层335可以包括附加金属，所述附加金属包括但不限于Zr。图3的多层涂层320类似于图2的多层涂层220，不同之处在于其增加了TiAl金属间化合物层335。除非另有说明，否则扩散阻挡层112、金属间化合物层124和过渡层223的特征与上文关于图1和2所述的相同。在一些实施方式中，TiAl金属间化合物层335的厚度可以在以下范围内：约25nm至约2,000nm、约100nm至约800nm、约200nm至约500nm、约500nm至约2,000nm或约500nm至约1,000nm。在一些实施方式中，上述任意一种多层涂层可以具有设置在金属间化合物层124上的金属层426。图4A例示了与图1的多层涂层120相似的多层涂层420a，不同之处在于在金属间化合物层124上设置有金属层426。类似地，图4B例示了与图2的多层涂层220相似的多层涂层420b，不同之处在于在金属间化合物层124上设置有金属层426，并且图4C例示了与图3的多层涂层320类似的多层涂层420c，不同之处在于在金属间化合物层124上设置有金属层426。在一些实施方式中，金属层426可以包括金属间化合物层124的附加金属。在一些实施方式中，可以包括耐火金属层426，因为其与针对模具成形的玻璃基材料的反应性可以不那么高，因此减少了在成形期间玻璃基材料与模具的粘着，以及使成形的玻璃基材料具有更佳的表面外观。另外，可以包括金属层426，因为其可以使多层涂层更加耐受高温(例如760℃至900℃)导致的损坏，所述高温是对具有高温软化点的玻璃基材料进行成形时，模具需要承受的。在一些实施方式中，金属层426的厚度可以在以下范围内：约25nm至约2,000nm、约100nm至约800nm、约200nm至约500nm或约800nm至约1,200nm。

在一些实施方式中，上述任意一种多层涂层可以具有作为多层涂层最外层的氧化物层528。图5A例示了与图1的多层涂层120相似的多层涂层520a，不同之处在于在金属间化合物层124上设置有氧化物层528。类似地，图5B例示了与图2的多层涂层220相似的多层涂层520b，不同之处在于在金属间化合物层124上设置有氧化物层528；图5C例示了与图3的多层涂层320相似的多层涂层520c，不同之处在于在金属间化合物层124上设置有氧化物层528；图5D例示了与图4A的多层涂层420a相似的多层涂层520d，不同之处在于在金属层426上设置有氧化物层528；图5E例示了与图4B的多层涂层420b相似的多层涂层520e，不同之处在于在金属层426上设置有氧化物层528；以及图5F例示了与图4C的多层涂层420c相似的多层涂层520f，不同之处在于在金属层426上设置有氧化物层528。在一些实施方式中，氧化物层528不为玻璃成形件，因此减少了玻璃粘着于多层涂层的可能性。另外，氧化物层582可以延长多层涂层的使用寿命，从而提高多层涂层的耐久性。

在一些实施方式中，氧化物层528可以通过使用常规方式(例如加热)对多层涂层的最外层(例如金属间化合物层124或金属层426)进行氧化来形成。例如，在一些实施方式中，可以将模具加热到以下温度：至少约500℃、至少约600℃、至少约700℃或者甚至是至少约750℃。例如，可以通过以2℃/分钟的速率从20℃加热到750℃，在750℃下保持30分钟，并且以炉的速率冷却到室温(即，约25℃)来对涂层进行热处理。作为另一个实例，可以使用等温过程，其中通过在750℃的温度下热处理约3小时而无任何热增加来氧化涂层。然而，本文也考虑了其他热处理，包括但不限于不同的温度升高速率和最大加热温度及加热持续时间。在一些实施方式中，例如在涂层堆叠体520a、520b和520c中，当通过氧化金属间化合物层124来形成氧化物层528时，氧化物层528可以为包含来自金属间化合物层124的钛、铝和耐火金属的氧化物。因此，在一些实施方式中，氧化物层528可以为TiAlZr氧化物。在其他实施方式中，例如在涂层堆叠体520d、520e和520f中，当通过氧化金属层426来形成氧化物层528时，氧化物层528可以是金属层426中的金属的氧化物。因此，在一些实施方式中，氧化物层528可以是氧化锆。在一些实施方式中，氧化物层528的厚度可以在以下范围内：约25nm至约2,000nm、约100nm至约800nm、约200nm至约500nm或约1,000nm至约2,000nm。

在一些实施方式中，在模具主体110与扩散阻挡层122之间可以设置粘合层(未示出)。然而，在其他实施方式中，可以将扩散阻挡层122直接设置在具有中间层的模具主体122上。粘合层一般可以是未被氧化的金属。例如，在一些实施方式中，粘合层可以包含TiAl、Al、Ti或其组合。粘合层可以增强模具主体110与扩散阻挡层122之间的粘合。另外，粘合层一般可以使模具主体110的表面光滑，从而填充了可干扰至少是扩散阻挡层122沉积的凹点和其他缺陷。应理解的是，粘合层是任选的，并且在一些实施方式中，可以在无需粘合层的情况下形成多层涂层。

一般来说，可以使用沉积技术，例如物理气相沉积(PVD)，通过将各个涂层(除氧化物层528之外)沉积到模具主体110上来制备经过涂覆的模具100。然而，可以使用其他已知沉积技术。在一些实施方式中，PVD制备过程可以包括在高温(例如，在250℃至650℃的范围内或在450℃至550℃的范围内)、高靶功率(大于2kW)下，并且在衬底偏压(substratebias)在50V至150V下，PVD溅射多层涂层的各层[例如利用赛利公司(Cemecon)的型号为CC800/9ML 6(10)的涂覆器]。在一些实施方式中，当金属间化合物层124是梯度层时，可以存在一个或多个TiAl溅射靶，以及一个或多个附加金属(例如Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及其组合)的溅射靶，并且可以通过将功率调整到适当目标来建立梯度，以得到所需梯度。在一些实施方式中，可以通过降低进入PVD涂覆器的氮的流速，例如通过以线性速率来降低速率约10分钟，来形成过渡层223的氮的递减梯度。

在层沉积后，可以对经过涂覆的模具热处理一段时间，并且是在足以氧化至少一部分多层涂层的温度下进行热处理，例如，加热到以下温度：至少约500℃、至少约600℃、至少约700℃或者甚至是至少约750℃。例如，可以通过以2℃/分钟的速率从20℃加热到750℃，在750℃下保持30分钟，以及以炉的速率冷却到室温(即，约25℃)来对涂层进行热处理。然而，本文也考虑了其他升温速率和最大加热温度。在一个实施方式中，通过在加热装置(例如烤炉或窑)中将多层涂层暴露于高温来对多层涂层进行热处理。在另一个实施方式中，可以通过在高温下将多层涂层直接暴露于玻璃，例如与正在进行模制的玻璃直接接触，来对多层涂层进行热处理。然而，也可以进行任意合适的加热过程。

实施例

通过以下实施例进一步阐述本文所述的用于玻璃基成形模具的涂层的实施方式。这些实施例本质上是说明性的，并且不应被理解为限制本公开的主题。

实施例1

使用购自赛利公司的PVD涂覆器(型号CC800/9ML 6(10))，将多层涂层沉积在Inconel 600的模具基材上。使用Ti/Al比值为1且功率为5kW的三个TiAl溅射靶以及1个功率为2.5kW的纯锆溅射靶。加热器功率为2kW，并且室压为550mPa。在氮气氛下，将第一功率仅施加于TiAl溅射靶，施加约32分钟以形成TiAlN层。然后，以线性速率将氮的流速下降到零，持续约10分钟，以形成氮含量梯度递减的过渡层。在氮减少的最后30秒期间，将Zr溅射靶的功率升高到最高至0.5kW。然后以线性速率升高Zr溅射靶的功率，持续约3分钟，直到升高到2.5kW，以形成TiAlZr金属间化合物层。图6是每个元素(Ni、Cr、Fe、Mn、Si、Cu、c、Si、N、Ti、Al、Zr)的基于目标值的以原子量％计的假设浓度与具有多层涂层的模具的深度之间的关系图。图6的数据是基于在对最外层进行氧化之前刚沉积的层，并且其示出了(1)扩散阻挡层阻止了金属从基底模具扩散到多层涂层的顶层中；和(2)多层涂层的顶层的组成如所述那样沉积。

实施例2

使用镍201模具和实施例1的经过涂覆的Inconel 600模具，对康宁玻璃编号2320的0.7mm厚的片材进行模制以具有9mm的弯曲半径。镍201模具具有镍氧化物外层，其为约4μm至7μm厚。实施例1的经过涂覆的Inconel模具具有额外的氧化物最外层，其为约1μm至1.5μm厚。

将待在镍201模具上成形的玻璃片放置在模具上，并且根据图9所示的分布曲线施加热和真空。将待在Inconel 600模具上成形的玻璃片放置在模具上，并且根据图9所示的分布曲线施加热和真空。

在对玻璃片进行模制后，使用翟柯公司的光学轮廓仪测量经过模制的玻璃片表面上的任何凹点印迹的峰到谷的深度。对在镍201模具上模制的片材以及在Inconel 600模具上模制的片材的峰到谷的深度进行平均。对于镍201模具和Inconel 600模具来说，峰值模制温度为750℃。从图10中可见到，使用镍201模具成形的玻璃片的粗糙度显著高于使用经过涂覆的Inconel 600模具成形的玻璃片的粗糙度。因此，如通过在经过成形的玻璃基材料中形成的印迹的峰到谷的深度来测量的，本文所述的多层涂层最大程度地减少了来自模具的在玻璃基材料上的印迹。因此，利用本文所述的具有多层涂层的模具来成形的玻璃基材料需要较少的抛光来移除印迹。

现应理解的是，本文公开的涂层可以提供使模具与玻璃基材料之间的粘着减少的优点，因而减少或完全消除了经过模制的玻璃基材料中的外观缺陷，例如污渍、凹点和划痕。本文所述的涂层还可以具有增强的耐久性，并且在必需剥离涂层并将新的涂层重新施涂于模具之前，可以将模具寿命延长到至少2000次循环。

应注意，本文可用术语“基本上”和“约”表示可由任何定量比较、数值、测量或其他表示方法造成的固有不确定程度。在本文中还使用这些术语表示定量表达可以与所述的参比值有一定的偏离程度，但是不会导致所针对的对象的基本功能改变。

可对本文所述的实施方式进行各种修改和改变而不偏离所要求保护的主题的范围。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各个实施方式的修改和变化形式，条件是这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (14)

1.一种模具，其包括：

模具主体，其具有外表面和设置在所述外表面上的多层涂层，其中，所述多层涂层包括：

设置在模具主体的外表面上的扩散阻挡层；和

设置在扩散阻挡层上的金属间化合物层，其中，所述金属间化合物层包括Ti、Al、和选自Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及其组合的附加金属，并且

其中，扩散阻挡层限制金属从模具主体扩散到金属间化合物层。

2.如权利要求1所述的模具，其还包括设置在扩散阻挡层与金属间化合物层之间的过渡层，其中，所述过渡层包括氮含量的改变，其中在最接近扩散阻挡层的一部分过渡层中具有较高的氮摩尔含量，并且在最接近金属间化合物层的一部分过渡层中具有较低的氮摩尔含量。

3.如前述权利要求中任一项所述的模具，其中，所述金属间化合物层包括附加金属的含量改变，其中，在最接近扩散阻挡层的一部分金属间化合物层中具有较低的附加金属的摩尔含量，并且在离扩散阻挡层最远的一部分金属间化合物层中具有较高的附加金属的摩尔含量。

4.如前述权利要求中任一项所述的模具，其还包括设置在所述金属间化合物层上的经过氧化的金属间化合物层。

5.如前述权利要求中任一项所述的模具，其中，在多层涂层中的钛摩尔含量与铝摩尔含量的比值在约0.67至约1的范围内。

6.如权利要求5所述的模具，其中，在多层涂层中的钛摩尔含量与铝摩尔含量的比值为约1。

7.如权利要求5所述的模具，其中，在多层涂层中的钛摩尔含量与铝摩尔含量的比值大于或等于约0.67且小于约1。

8.如前述权利要求中任一项所述的模具，其中，金属间化合物层中的钛与铝的摩尔浓度之和大于或等于金属间化合物层中的附加金属的摩尔浓度。

9.如权利要求1-7中任一项所述的模具，其中，金属间化合物层中的钛与铝的摩尔浓度之和小于金属间化合物层中的附加金属的摩尔浓度。

10.如前述权利要求中任一项所述的模具，其还包括设置在金属间化合物层上的金属层，所述金属层包含金属间化合物层中的附加金属。

11.如权利要求10所述的模具，其中，所述金属间化合物层包括附加金属的含量改变，其中，在最接近扩散阻挡层的一部分金属间化合物层中具有较低的附加金属的摩尔含量，并且在最接近金属层的一部分金属间化合物层中具有较高的附加金属的摩尔含量。

12.如权利要求10或11所述的模具，其还包括设置在所述金属层上的经过氧化的金属层。

13.如前述权利要求中任一项所述的模具，其中，所述附加金属为锆。

14.如前述权利要求中任一项所述的模具，其中，所述模具主体主要为选自下组的金属：铁、镍、铬、铜、其混合物及其合金。