CN110257780A - 一种多元合金靶材、多元金属/氮化物复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种多元合金靶材、多元金属/氮化物复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多元合金靶材、多元金属/氮化物复合涂层及其制备方法，该多元合金靶材为Ti‑Al‑Cr‑Zr‑Mo合金；该复合涂层以钛合金为基体材料，以Ti‑Al‑Cr‑Zr‑Mo多元合金为靶材，包括一组或多组沿基体材料依次生长的金属层和氮化物层。该复合涂层的制备方法为：对钛合金基体依次进行离子轰击清洗，采用多弧离子镀对轰击清洗的基体进行多元金属层沉积；在多元金属层之上沉积多元氮化物层，得多元金属/氮化物复合涂层。本发明通过合理设计多元合金靶材的成分，使复合涂层与基体之间相互匹配，使涂层具有良好的抗冲蚀、抗腐蚀、抗氧化性能，且提高涂层与钛合金基体的结合力。

Description

一种多元合金靶材、多元金属/氮化物复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面涂层技术领域，尤其涉及一种多元合金靶材、多元金属/氮化物复合涂层及其制备方法。
背景技术
氮化物涂层具有优异的耐磨性能、抗冲蚀性能，在航空领域和机械加工领域被广泛应用于合金的表面改性。过渡族金属的氮化物之间能够相互固溶，利用这种特性将Al、Zr、Nb等取代Ti形成多元的TiAlN、TiZrN和TiNbN等氮化物；通过控制涂层中的化学组分和沉积条件，获得兼备高硬度和高韧性的多元氮化物涂层已经成为航空和机械领域的常用方法。
国外主要将氮化物抗冲蚀涂层用于多个型号的直升机的发动机引擎螺旋桨及压气机转子叶片上；国内主要将氮化物涂层应用于压气机整流器的防护，用于沿海电厂考核。目前主要集中于三元合金氮化物涂层的研究，如通过在TiN中加入Al元素形成三元TiAlN，其抗冲蚀性能可以高达TiN涂层的7倍。而TiAlN/CrAlN多层涂层的硬度值可以达到通过混合法则计算值的1.24倍，硬度的提高主要是由于TiAlN和CrAlN两种材料的弹性模量差和在界面处产生的交变应力场。但是，这种三元合金氮化物虽然有效的提高了涂层的硬度和抗冲蚀性，但其在恶劣条件的综合性能仍然亟待提高。且在现有的研究报道中，多弧离子镀涂层制备时常采用纯元素靶材(如Ti靶、Al靶、Cr靶等)、二元合金靶材(如TiAl合金靶)和三元合金靶(TiAlZr合金靶)，使涂层中金属组元的成分难以准确控制。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多元合金靶材、多元金属/氮化物复合涂层及其制备方法，本发明通过设计多元合金靶材的成分，使多元氮化物复合涂层与基体之间的热膨胀系数、弹性模量和晶格参数相互匹配，从而使其制备的涂层具有良好抗冲蚀、抗腐蚀性能外，还具有良好的抗氧化性能，提高涂层的综合性能，延长涂层使用寿命；通过考虑成分离析来优化合金靶材成分，解决了传统的运用多个靶材时涂层成分难以准确控制的问题。本发明实现了多元金属/氮化物复合涂层的多层结构设计，能够根据实际需要，调节每层的厚度，提高涂层可控性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
(一)一种多元合金靶材，包括Ti-Al-Cr-Zr-Mo合金；
优选的，所述Ti-Al-Cr-Zr-Mo合金中各金属的原子百分比为：0.65:0.22:0.05:0.05:0.03。
(二)一种多元合金靶材的制备方法，包括以下步骤：
按Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金中各金属的原子百分比称取相应原料，并将称取的原料加入熔炼炉中进行熔炼，得熔炼液；将熔炼液浇注至石墨磨具中，冷却后即得Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金靶材。
优选的，所述熔炼炉为真空感应水冷铜坩埚悬浮熔炼炉。
优选的，所述熔炼具体为：先抽真空，至炉内真空度低于0.5Pa，再按照熔炼工艺熔炼两次；其中，所述熔炼工艺为：先设置熔炼炉功率为80KW，保温1min；再调功率至100KW，保温2min；再调功率至120KW，保温2min；再调功率至140KW，保温1min；然后调功率至130KW，保温1min；最后调功率至120KW，保温1min。
上述Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金靶材的尺寸可以按照多弧离子镀设备的要求进行机械加工。
(三)一种多元金属/氮化物复合涂层，以钛合金为基体材料，以Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金为靶材，包括沿基体材料依次生长的Ti-Al-Cr-Zr-Mo金属层和Ti(AlCrZrMo)N氮化物层。
进一步优选的，所述多元金属/氮化物复合涂层包含一组或多组Ti-Al-Cr-Zr-Mo金属层和Ti(AlCrZrMo)N氮化物层。
(四)一种多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对钛合金基体进行离子轰击清洗，得到清洗后的钛合金基体；采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，得到多元金属层；
步骤2，在多元金属层上沉积氮化物，得到多元金属/氮化物复合涂层。
优选的，所述钛合金基体为将粗品钛合金基体依次进行打磨、抛光、超声清洗、冲洗、烘干即得。
进一步优选的，所述打磨为采用水磨砂纸逐级打磨；所述超声清洗时间为20min；所述冲洗为流水冲洗5min；所述烘干的温度为80-90℃，时间为20-40min。
优选的，所述离子轰击清洗的气源为氩气，压力为1.0Pa，离子轰击清洗的电压大于800V，温度为220～240℃，时间为20min。
优选的，所述采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，其具体为：多弧离子镀的真空室的温度为220～240℃,以Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金靶材作为阴极，脉冲偏压值为-300V，氩气的压力为3.0×10-1Pa，靶材电流为40～60A。
优选的，所述在多元金属层上沉积氮化物为：以氮气流量为80～140sccm向多弧离子镀的真空室内充入氮气。
优选的，所述沉积多元金属与沉积氮化物所需的总时间为60～105min。
优选的，所述沉积多元金属的时间与所述沉积氮化物的时间之比为1/6～1/4。
本发明中，沉积氮化物时，在多弧离子镀真空室内充入氮气，而多弧离子镀真空室的温度、脉冲偏压，氩气的压力和靶材电流保持不变。
本发明中，以充入氮气的时间来控制氮化物层的厚度。当需要制备多组金属层/氮化物层时，只需控制氮气的启停即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过设计多元合金靶材的成分，使多元氮化物复合涂层与基体之间的热膨胀系数、弹性模量和晶格参数相互匹配，从而使其制备的涂层具有良好抗冲蚀、抗腐蚀性能外，还具有良好的抗氧化性能，提高涂层的综合性能，延长涂层使用寿命，且提高涂层与钛合金基体的结合力。
(2)本发明通过考虑成分离析来优化合金靶材成分，解决了传统的运用多个靶材时涂层成分难以准确控制的问题。
(3)本发明实现了多元金属/氮化物复合涂层的多层结构设计，能够根据实际需要，调节每层的厚度，提高涂层可控性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的多元合金靶材的表面扫描照片。
图2为本发明实施例1制备的多元合金靶材的表面XRD图谱。
图3为多元金属/氮化物复合涂层的截面结构示意图。
图4为本发明实施例1制备的涂层的截面结构图。
图5为本发明实施例1制备的多元金属/氮化物复合涂层的XRD图谱。
图6为TC4基体和实施例1中制备的多元金属/氮化物复合涂层在600℃下氧化40h的增重对比曲线图。
图7为TC4基体和实施例1中制备的多元金属/氮化物复合涂层在600℃下氧化40h的截面微观形貌图，其中，(a)为TC4基体在600℃下氧化40h的截面微观形貌图；(b)为本发明实施例1中制备的多元金属/氮化物复合涂层在600℃下氧化40h的截面微观形貌图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种多元合金靶材、多元金属/氮化物复合涂层及其制备方法进行详细描述。
实施例1
一种多元合金靶材的制备方法，包括以下步骤：
采用0A级海绵钛、高纯铝(纯度≥99.99％)、AlMo80中间合金(纯度为99.5％)、金属铬JCr99.2(Cr含量≥99.2％)和金属锆(纯度≥99.9％)作为原料，按Ti-Al-Cr-Zr-Mo合金中各金属的原子百分比为：0.65:0.22:0.05:0.05:0.03称取对应原料，将称取的原料加入3kg级的真空感应水冷铜坩埚悬浮熔炼炉中进行熔炼，得熔炼液；将熔炼液浇注至石墨磨具中，冷却后即得Ti-22Al-5Cr-5Zr-3Mo多元合金靶材。
所述熔炼具体为：先抽真空，至炉内真空度低于0.5Pa，再按照熔炼工艺熔炼两次；其中，所述熔炼工艺为：先设置熔炼炉功率为80KW，保温1min；再调功率至100KW，保温2min；再调功率至120KW，保温2min；再调功率至140KW，保温1min；然后调功率至130KW，保温1min；最后调功率至120KW，保温1min。
上述Ti-22Al-5Cr-5Zr-3Mo多元合金靶材的尺寸可以按照多弧离子镀设备的要求进行机械加工。
实施例2
一种多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对钛合金基体进行离子轰击清洗，得到清洗后的钛合金基体；采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，得到多元金属层；
步骤2，在多元金属层上沉积氮化物，得到多元金属/氮化物复合涂层。
本实施例中，所述钛合金基体为将粗品钛合金基体依次进行打磨、抛光、超声清洗、冲洗、烘干即得。
本实施例中，所述打磨为：依次采用120目、200目、400目、800目的水磨砂纸逐级打磨；所述超声清洗时间为20min；所述冲洗为流水冲洗5min；所述烘干的温度为85℃，时间为20min。
本实施例中，所述离子轰击清洗为：先抽真空至5×10-3Pa，并将真空室加热至220℃，充入氩气气源至压力为1.0±0.1Pa，离子轰击清洗的偏压为-800V，时间为20min。本实施例中，为了消除或减少涂层中的液滴，整个沉积过程，基体以自转的形式旋转。
本实施例中，采用采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，其具体为：以Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金靶材作为阴极，阴极偏压为-300V，氩气的气压3.0×10- 1Pa，靶材电流为40A，时间为10min；
本实施例中，所述在多元金属层上沉积氮化物：在多元金属层沉积后，以氮气流量为140sccm向多弧离子镀的镀室内充入氮气，充氮时间为60min。
本实施例中所制备的涂层为单周期的多元金属/氮化物复合涂层，涂层的总厚度为3.41μm，其中，金属层的厚度约为0.91μm，氮化物层的厚度约为2.50μm。
实施例3
一种多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对钛合金基体进行离子轰击清洗，得到清洗后的钛合金基体；采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，得到多元金属层；
步骤2，在多元金属层上沉积氮化物，得到多元金属/氮化物复合涂层。
本实施例中，所述钛合金基体为将粗品钛合金基体依次进行打磨、抛光、超声清洗、冲洗、烘干即得。
本实施例中，所述打磨为：依次采用120目、200目、400目、800目的水磨砂纸逐级打磨；所述超声清洗时间为20min；所述冲洗为流水冲洗5min；所述烘干的温度为80℃，时间为30min。
本实施例中，所述离子轰击清洗为：先抽真空至5×10-3Pa，并将真空室加热至220℃，充入氩气气源至压力为1.0±0.1Pa，离子轰击清洗的电压为-900V，时间为20min。本实施例中，采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，其具体为：以Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金靶材作为阴极，阴极偏压为-300V，氩气的气压3.0×10-1Pa，靶材电流为60A，时间为5min；
本实施例中，所述在多元金属层上沉积氮化物：以氮气流量为80sccm向多弧离子镀的镀室内充入氮气，充氮时间为30min。
本实施例中，多元金属层沉积和氮化物层沉积所需的总时间为105min。
本实施例中，重复进行3次多元金属层沉积和多元氮化物层沉积，即可制备的3周期的多元合金/氮化物复合涂层，即复合涂层包括三组多元金属/氮化物层，涂层的总厚度为24.43μm。
实施例4
一种多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对钛合金基体进行离子轰击清洗，得到清洗后的钛合金基体；采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，得到多元金属层；
步骤2，在多元金属层上沉积氮化物，得到多元金属/氮化物复合涂层。
本实施例中，所述钛合金基体为将粗品钛合金基体依次进行打磨、抛光、超声清洗、冲洗、烘干即得。
本实施例中，所述打磨为：依次采用120目、200目、400目、800目的水磨砂纸逐级打磨；所述超声清洗时间为20min；所述冲洗为流水冲洗5min；所述烘干的温度为90℃，时间为20min。
本实施例中，所述离子轰击清洗为：先抽真空至5×10-3Pa，并将真空室加热至220℃，充入氩气气源至压力为1.0±0.1Pa，离子轰击清洗的偏压为-950V，时间为20min。
本实施例中，采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，其具体为：以Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金靶材作为阴极，阴极偏压为-300V，氩气的气压3.0×10-1Pa，靶材电流为40A，时间为2min；
本实施例中，所述在多元金属层上沉积氮化物为：以氮气流量为80sccm向多弧离子镀的镀室内充入氮气，充氮时间为8min。
本实施例中，所述多元金属层沉积和多元氮化物层沉积所需的总时间为60min。
本实施例中，重复进行6次多元金属层和氮化物层沉积处理，即可制备出6周期的多元金属/氮化物复合涂层，即复合涂层包括6组金属层/氮化物层，涂层的总厚度为14.26μm。
实施例5
一种多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对钛合金基体进行离子轰击清洗，得到清洗后的钛合金基体；采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，得到多元金属层；
步骤2，在多元金属层上沉积氮化物，得到多元金属/氮化物复合涂层。
本实施例中，所述钛合金基体为将粗品钛合金基体依次进行打磨、抛光、超声清洗、冲洗、烘干即得。
本实施例中，所述打磨为：依次采用120目、200目、400目、800目的水磨砂纸逐级打磨；所述超声清洗时间为20min；所述冲洗为流水冲洗5min；所述烘干的温度为90℃，时间为20min。
本实施例中，所述离子轰击清洗为：先抽真空至5×10-3Pa，并将真空室加热至220℃，充入氩气气源至压力为1.0±0.1Pa，离子轰击清洗的偏压为-850V，时间为20min。
本实施例中，采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，且为了消除或减少涂层中的液滴，样品以自转的形式旋转。其具体为：以Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金靶材作为阴极，阴极偏压为-300V，氩气的气压3.0×10-1Pa，靶材电流为40A，时间为2min；
本实施例中，所述在多元金属层上沉积氮化物为：以氮气流量为120sccm向多弧离子镀的镀室内充入氮气，充氮时间为8min。
本实施例中，所述多元金属层沉积和多元氮化物层所需的总时间为60min。
本实施例中，重复进行6次金属层沉积和氮化物层沉积处理，即可制备出6周期的多元合金/氮化物复合涂层，即复合涂层包括6组金属层/氮化物层，涂层的总厚度为2.91μm。
本发明各实施例中，沉积氮化物时，只需向多弧离子镀真空室内充入氮气，而多弧离子镀真空室的温度、脉冲偏压，氩气的压力和靶材电流与沉积多元金属相同。
对比以上实施例可知，本发明方法可通过调节实验参数来控制最终涂层的厚度，可根据性能需求来进行涂层的结构设计，大大提高了制备涂层的可控性，且各实施例结果可以看出，涂层的厚度可以从不到1微米到几十微米之间调节，适用范围非常广。本发明制备的复合涂层由多元的硬质涂层和延性金属交替排列组合形成，能够极大地缓冲涂层之间的内应力，增大涂层与基体之间的结合力，多层界面能够打断柱状晶的生长，阻挡位错的运动，阻碍裂纹的扩展，从而提高涂层的综合力学性能并增强其使用性能。
对本发明实施例1所得的多元合金靶材进行扫描电镜和X射线衍射结果分析，参考图1为多元合金靶材的表面形貌照片，图2为多元合金靶材的X射线衍射物相分析结果图，从图1可以看出，本发明实施例1制备的多元合金靶材结构致密、均匀；从图2可以看出，本发明实施例1制备的多元合金靶材的主要物相为Ti3Al，其中，合金化组元Cr、Zr和Mo取代Ti3Al中的Ti或Al，但不影响Ti3Al的晶体结构，因而XRD分析时仍采用标准Ti3Al的图谱。图4为本发明实施例1所得的多元金属/氮化物复合涂层微观结构图，从图中可知本发明实施例1所得涂层从内而外依次为基体钛合金TC4，金属层TiAlCrZrMo和氮化物层Ti(AlCrZrMo)N。
对本发明实施例1制备的多元合金/氮化物复合涂层X射线衍射结果分析，结果如图5所示，从图5可以看出，本发明制备的多元合金/氮化物复合涂层的主要物相为含有Al、Cr、Zr、Mo的密排六方Ti固溶体和Ti(AlCrZrMo)N，说明本发明的靶材设计能够得到对应多元金属层及其氮化物的复合涂层，而且本发明的多组元合金靶材能够较准确的控制涂层中合金化元素的含量，进而得到性能可控的涂层。
对本发明实施例1制备的多元合金/氮化物复合涂层和TC4基体分别进行抗氧化性能测试，结果如图6所示，从图中可以看出，采用本发明方法在TC4基体上制备多元金属/氮化物复合涂层能够显著提高基体的抗氧化性能，且随氧化时间的延长，其增重较慢，说明本发明方法能够在高温(600℃)下较长氧化时间(40h)范围内，明显增加基体的抗氧化性能。
对本发明实施例1制备的多元金属/氮化物复合涂层和TC4基体分别进行微观形貌观察，结果如图7所示，从图7(a)可以看出，没有涂层保护的TC4基体经过600℃，40h的氧化处理，在TC4合金的表面形成了TiO2为主的连续的氧化膜，氧化膜厚度约为8.67μm，在氧化膜的下部出现了横向的裂纹。从图7(b)可以看出，本发明方法制备的复合涂层中的液滴表面发生了氧化，涂层中出现了裂纹，这是由于随着温度的升高，致密的多元氮化物涂层中固溶了一定含量的O，取代氮化物中的部分N原子，体积和热应力变化促使萌生裂纹，氮化物涂层表面没有明显氧化产物生成，氮化物涂层的抗氧化性能明显优于TC4基体。说明本发明方法所得复合涂层具有良好的抗氧化性能。
本发明中利用了Ti和N可形成成分范围较宽的缺位式固溶体，其稳定的相组成范围为TiN0.37-1.2；当N的含量较小时，形成N缺位固溶体，此时TiNx主要表现出金属的性质；当N的含量较大时，形成Ti缺位固溶体，此时TiNx主要表现出共价化合物的性质；本发明基于TiN的以上性质，合理选取固溶元素。其中，Al和Cr元素的加入可显著提高合金的硬度，这与异类粒子添加引起的晶格畸变密切相关；Cr元素的加入不但能提高氮化物的硬度，而且有利于提高膜基结合力和涂层抗氧化性能。Zr和Ti是同族元素，可以完全相互固溶，Zr的加入会引起晶格畸变而形成能量势垒，阻碍位错的运动，从而使得(Ti1-xZrx)N的硬度提高；Mo原子置换TiN中的部分Ti原子时，由于Mo和Ti原子尺寸的差异导致晶面间距增大，造成晶格发生畸变，出现弹性应力场，从而使位错运动的阻力增加，进而提高硬度，降低合金的摩擦系数和磨损量，即提高涂层的抗冲蚀性。
本发明通过考虑各金属之间晶格常数、热膨胀系数和弹性模量等参数，合理设计多元合金靶材的成分，使各金属元素之间相互匹配，使其制备的多元金属/氮化物复合涂层具有良好的抗冲蚀、抗腐蚀和抗氧化性能，适用于恶劣环境的涂层应用。多个金属组元合金化时，金属元素之间形成较强的金属键，有利于改善氮化物涂层的耐磨性及抗氧化性能。同时，本发明方法的复合涂层与基体之间具有较好的结合力。此外，本发明的多元合金单个靶材直接制备涂层的方法，较传统的单纯金属多靶材制备多元氮化物涂层，本发明方法可以准确控制所得复合涂层中各金属元素的含量，使涂层成分和性能的可控性大大提高。
另外，本发明制备了多种结构的多层Ti(AlCrZrMo)/Ti(AlCrZrMo)N涂层，检验了多元合金靶材应用的可行性，拓宽了氮化物涂层多组元合金化制备的思路。本发明利用多元合金靶材制备成分可控的多元氮化物涂层，获得了抗冲蚀性、抗腐蚀和抗氧化等综合性能优良的涂层，制备的涂层可应用于恶劣环境。
本发明中使用的试剂均为市售，本发明中使用的方法，若无特殊说明，均为常规方法。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种多元合金靶材，其特征在于，包括Ti-Al-Cr-Zr-Mo合金。
2.根据权利要求1所述的多元合金靶材，其特征在于，所述Ti-Al-Cr-Zr-Mo合金中各金属的原子百分比为：0.65:0.22:0.05:0.05:0.03。
3.一种多元金属/氮化物复合涂层，其特征在于，以钛合金为基体材料，以Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金为靶材，包括沿基体材料依次生长的Ti-Al-Cr-Zr-Mo金属层和Ti(AlCrZrMo)N氮化物层。
4.根据权利要求3所述的多元金属/氮化物复合涂层，其特征在于，所述多元金属/氮化物复合涂层包含一组或多组Ti-Al-Cr-Zr-Mo金属层和Ti(AlCrZrMo)N氮化物层。
5.一种多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对钛合金基体进行离子轰击清洗，得到清洗后的钛合金基体；采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，得到多元金属层；
步骤2，在多元金属层上沉积氮化物，得到多元金属/氮化物复合涂层。
6.根据权利要求5所述的多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述离子轰击清洗的气源为氩气，压力为1.0Pa，离子轰击清洗的电压大于800V，温度为220～240℃，时间为20min。
7.根据权利要求5所述的多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述采用多弧离子镀在清洗后的钛合金基体上沉积多元金属，其具体为：多弧离子镀的真空室的温度为220～240℃，以Ti-Al-Cr-Zr-Mo多元合金靶材作为阴极，脉冲偏压值为-300V，氩气的压力为3.0×10-1Pa，靶材的电流为40～60A。
8.根据权利要求5所述的多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述在多元金属层上沉积氮化物为：以氮气流量为80～140sccm向多弧离子镀的真空室内充入氮气。
9.根据权利要求5所述的多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积多元金属与沉积氮化物所需的总时间为60～105min。
10.根据权利要求9所述的多元金属/氮化物复合涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积多元金属的时间与所述沉积氮化物的时间之比为1/6～1/4。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111304618A (zh) * 2020-04-14 2020-06-19 上海工具厂有限公司 一种纳米复合涂层及其制备方法
CN111485204A (zh) * 2020-05-07 2020-08-04 西北工业大学 一种等离子体制备抗固体粒子冲蚀陶瓷涂层的方法
CN112080724A (zh) * 2020-09-04 2020-12-15 南昌航空大学 一种防腐耐磨的多组元硬质复合涂层的制备方法
CN112708857A (zh) * 2020-12-16 2021-04-27 中国航发北京航空材料研究院 具有应变容限和耐磨性的涂层结构及其制备方法
CN113106390A (zh) * 2020-12-28 2021-07-13 上海锐力医疗器械有限公司 一种多元氮化物医疗器械保护性涂层及其制备方法
CN114875360A (zh) * 2022-05-24 2022-08-09 河南科技学院 一种抗高温氧化的NiAl/AlSiON多层复合涂层及制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1680618A (zh) * 2004-11-30 2005-10-12 大连理工大学 脉冲偏压电弧离子镀钛/氮化钛纳米多层超硬薄膜的方法
CN101407905A (zh) * 2008-07-28 2009-04-15 株洲钻石切削刀具股份有限公司 一种多组元涂层的硬质合金切削刀具
CN102917822A (zh) * 2010-05-27 2013-02-06 京瓷株式会社 切削工具
JP2013237910A (ja) * 2012-05-16 2013-11-28 Tsukiboshi Art Kogyo Kk 意匠性鋼板の製造方法
CN104480444A (zh) * 2014-12-30 2015-04-01 山东昊轩电子陶瓷材料有限公司 钛铝合金靶材及其制备方法
CN104726823A (zh) * 2015-04-14 2015-06-24 沈阳大学 一种钛铝锆铌/氮化钛铝锆铌四元氮梯度膜的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1680618A (zh) * 2004-11-30 2005-10-12 大连理工大学 脉冲偏压电弧离子镀钛/氮化钛纳米多层超硬薄膜的方法
CN101407905A (zh) * 2008-07-28 2009-04-15 株洲钻石切削刀具股份有限公司 一种多组元涂层的硬质合金切削刀具
CN102917822A (zh) * 2010-05-27 2013-02-06 京瓷株式会社 切削工具
JP2013237910A (ja) * 2012-05-16 2013-11-28 Tsukiboshi Art Kogyo Kk 意匠性鋼板の製造方法
CN104480444A (zh) * 2014-12-30 2015-04-01 山东昊轩电子陶瓷材料有限公司 钛铝合金靶材及其制备方法
CN104726823A (zh) * 2015-04-14 2015-06-24 沈阳大学 一种钛铝锆铌/氮化钛铝锆铌四元氮梯度膜的制备方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111304618A (zh) * 2020-04-14 2020-06-19 上海工具厂有限公司 一种纳米复合涂层及其制备方法
CN111485204A (zh) * 2020-05-07 2020-08-04 西北工业大学 一种等离子体制备抗固体粒子冲蚀陶瓷涂层的方法
CN112080724A (zh) * 2020-09-04 2020-12-15 南昌航空大学 一种防腐耐磨的多组元硬质复合涂层的制备方法
CN112708857A (zh) * 2020-12-16 2021-04-27 中国航发北京航空材料研究院 具有应变容限和耐磨性的涂层结构及其制备方法
CN113106390A (zh) * 2020-12-28 2021-07-13 上海锐力医疗器械有限公司 一种多元氮化物医疗器械保护性涂层及其制备方法
CN114875360A (zh) * 2022-05-24 2022-08-09 河南科技学院 一种抗高温氧化的NiAl/AlSiON多层复合涂层及制备方法
CN114875360B (zh) * 2022-05-24 2024-03-22 河南科技学院 一种抗高温氧化的NiAl/AlSiON多层复合涂层及制备方法

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