CN111020497A - 一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层及其制备方法 - Google Patents

一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括：基体；设置于所述基体上的AlTiN过渡层；设置于所述AlTiN过渡层上的AlTiN/AlCrO交替层；设置于所述AlTiN/AlCrO交替层上的顶层AlTiN涂层；所述AlTiN/AlCrO交替层是由AlTiN层与AlCrO层交替沉积得到；所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度为100～800nm；所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比为1:1～4:1。本发明通过多层结构、调整涂层成分参数、改变涂层厚度和比例，可实现α或γ相的(Al,Cr)2O3稳定生成；具有硬度高、结合力好、耐磨性优异的特性。

Description

一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其是涉及一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层及其制备方法。
背景技术
随着绿色加工的强烈要求以及发展，采用冷却液(油)进行切削加工的方法将会被逐步淘汰，干式切削将得到快速发展并迅速普及，因此对刀具的性能提出了越来越高的要求，不仅要求刀具要具有较高的硬度、良好的韧性以及耐蚀性，同时还要具有优异高温抗氧化性以及隔热性能。AlTiN涂层由于具有高硬度、高熔点以及良好的红硬性等特点成为目前市场上使用最广泛的刀具涂层，但是其在800℃即开始氧化，因此高温抗氧化性略差。Al2O3涂层具有良好的高温性能、化学稳定性以及隔热性能被广泛关注，但因其制备条件苛刻，目前大多数采用CVD技术制备，导致了刀具的基体材料被限制。
为改善这一问题，采用PVD技术在Al2O3涂层中加入Cr元素，使涂层中生成α相的Cr2O3相，在模板作用的影响下促进α或γ相的Al2O3生成，使得制备出的AlCrO涂层能够具有类似Al2O3的性能。但是氧化物硬度低、韧性及结合力差的问题仍然不能得到很好的解决。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，本发明所述的涂层硬度高，韧性好，结合力强。
本发明提供了一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括：
基体；
设置于所述基体上的AlTiN过渡层；
设置于所述AlTiN过渡层上的AlTiN/AlCrO交替层；
设置于所述AlTiN/AlCrO交替层上的顶层AlTiN涂层；
所述AlTiN/AlCrO交替层是由AlTiN层与AlCrO层交替沉积得到；
所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度为100～800nm；所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比为1:1～4:1。
优选的，所述交替单元的数量为5～50个。
优选的，所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度为100～500nm；所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比为2:1～3:1。
优选的，所述AlTiN过渡层厚度为0.2～1μm，AlTiN/AlCrO交替层的总厚度为2～5μm，顶层AlTiN涂层厚度为0.5～1μm。
优选的，所述过渡层、顶层和交替层中AlTiN层的各元素原子百分比独立的选自：Al:20～30at.％，Ti:15～30at.％，N:45～55at.％；
所述AlTiN/AlCrO交替层中AlCrO层中各元素的原子百分比为：Al:15～27at.％，Cr:12～23at.％，O:58～62at.％
优选的，所述基体材料选自高速钢、硬质合金或陶瓷。
本发明提供了一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层的制备方法，包括：
A)将基体进行预处理；
B)在预处理后的基体表面上通过电弧离子镀沉积AlTiN过渡层；
C)在所述AlTiN过渡层上采用电弧离子镀沉积AlTiN/AlCrO交替层；
所述沉积AlTiN参数具体为：通入N2，调节气压至1.0～4.0Pa，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积偏压为-60～-150V；
所述沉积AlCrO参数具体为：关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.6～1.5Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积偏压为-60～-150V；
D)在所述AlTiN/AlCrO交替层上电弧离子镀沉积顶层AlTiN涂层。
优选的，步骤A)所述基体进行预处理具体为：将基体抛光处理，用金属清洗剂溶液、酒精超声清洗10～20min，用去离子水漂洗，再用氮气吹干后置于腔体内；所述腔体参数具体为：腔体温度400～550℃，腔体真空度为3.0～8.0×10-3Pa；离子源通入Ar气，腔室内部气压为0.5～3.0Pa，离子源功率为2～5kW，工件支架偏压-300～-500V，基体表面进行溅射清洗的溅射时间为25～50min。
优选的，步骤B)所述沉积AlTiN过渡层的参数具体为：偏压为-60～-150V，通入N2气，气压为1.0～4.0Pa，点燃AlTi电弧靶，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积AlTiN过渡层的时间为10～50min。
优选的，步骤D)所述沉积顶层AlTiN涂层参数具体为：偏压为-60～-150V，通入N2气，气压为1.0～4.0Pa，沉积AlTiN过渡层的时间为25～50min。
与现有技术相比，本发明提供了一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括：基体；设置于所述基体上的AlTiN过渡层；设置于所述AlTiN过渡层上的AlTiN/AlCrO交替层；设置于所述AlTiN/AlCrO交替层上的顶层AlTiN涂层；所述AlTiN/AlCrO交替层是由AlTiN层与AlCrO层交替沉积得到；所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度为100～800nm；所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比为1:1～4:1。本发明通过设计多层结构、调整涂层成分参数、改变涂层厚度和比例等，可实现α或γ相的(Al,Cr)2O3稳定生成；使得AlTiN/AlCrO涂层较AlCrO涂层，具有硬度高、结合力好、耐磨性优异的特性，显著提高刀具的使用寿命。
附图说明
图1是周期性多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的结构示意图；
图2是实施例1中制备的周期性多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的截面SEM图；
图3是实施例1中制备的周期性多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的XRD图；
图4是AlCrO涂层与实施例1中的多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的硬度及弹性模量；
图5是单层AlCrO与多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的结合力测试结果；
图6是AlCrO涂层与多层结构的AlTiN/AlCrO涂层H/E*的比值；
图7是AlTiN涂层与多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的切削寿命对比。
具体实施方式
本发明提供了一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供了一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括：
基体；
设置于所述基体上的AlTiN过渡层；
设置于所述AlTiN过渡层上的AlTiN/AlCrO交替层；
设置于所述AlTiN/AlCrO交替层上的顶层AlTiN涂层；
所述AlTiN/AlCrO交替层是由AlTiN层与AlCrO层交替沉积得到；
所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度为100～800nm；所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比为1:1～4:1。
本发明提供的一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括基体。
本发明所述基体材料优选选自高速钢、硬质合金或陶瓷。
本发明提供的一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括设置于所述基体上的AlTiN过渡层。
本发明所述AlTiN过渡层厚度优选为0.2～1μm，更优选为0.5～1μm，最优选为0.5～0.9μm。
所述过渡层AlTiN层的各元素原子百分比优选选自：Al:20～30at.％，Ti:15～30at.％，N:45～55at.％；更优选选自Al:22～28at.％，Ti:16～28at.％，N:47～53at.％。
本发明提供的一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括设置于所述AlTiN过渡层上的AlTiN/AlCrO交替层。
所述AlTiN/AlCrO交替层即为AlTiN层和AlCrO层复合得到。
按照本发明，所述AlTiN/AlCrO交替层是由AlTiN层与AlCrO层交替沉积得到；具体可以为基体-AlTiN过渡层-AlTiN层-AlCrO层-AlTiN层-AlCrO层。。。。-顶层AlTiN涂层；
此时，即为复合在基体上的AlTiN过渡层，复合在所述AlTiN过渡层上的AlTiN层；复合在所述AlTiN层上的AlCrO层，复合在所述AlCrO层上的AlTiN层，复合在所述AlTiN层上的AlCrO层。。。。而后为顶层AlTiN涂层。
还可以为基体-AlTiN过渡层--AlCrO层-AlTiN层-AlCrO层-AlTiN层-AlCrO层。。。。-顶层AlTiN涂层。
其中一个AlTiN层和一个AlCrO层称为一个交替单元，本发明所述交替层中是以交替单元的倍数形式出现的。
所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度(也称之为调制周期)优选为100～800nm；更优选为100～500nm；最优选为100～300nm。
本发明所述AlTiN/AlCrO交替层的总厚度优选为2～5μm，更优选为2.5～5μm，最优选为3～4.5μm。
所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比优选为1:1～4:1；更优选为1:1～3:1。(也称为调制比)
本发明所述交替单元的数量(也称为交替周期)优选为5～50个；更优选为10～45个；最优选为15～40个。
按照本发明，所述AlTiN/AlCrO交替层中AlTiN层的各元素原子百分比优选选自：Al:20～30at.％，Ti:15～30at.％，N:45～55at.％；更优选选自Al:22～28at.％，Ti:16～28at.％，N:47～53at.％。
所述AlTiN/AlCrO交替层中AlCrO层中各元素的原子百分比优选为：Al:15～27at.％，Cr:12～23at.％，O:58～62at.％；更优选为Al:16～26at.％，Cr:12～20at.％，O:59～62at.％；最优选为Al:17～25at.％，Cr:13～19at.％，O:59～61at.％。
本发明提供的一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括设置于所述AlTiN/AlCrO交替层上的顶层AlTiN涂层。
本发明顶层AlTiN涂层厚度优选为0.5～1μm；更优选为0.5～0.8μm；最优选为0.6～0.8μm。
所述顶层AlTiN涂层的各元素原子百分比优选选自：Al:20～30at.％，Ti:15～30at.％，N:45～55at.％；更优选选自Al:22～28at.％，Ti:16～28at.％，N:47～53at.％。
本发明提供了一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，包括：基体；设置于所述基体上的AlTiN过渡层；设置于所述AlTiN过渡层上的AlTiN/AlCrO交替层；设置于所述AlTiN/AlCrO交替层上的顶层AlTiN涂层；所述AlTiN/AlCrO交替层是由AlTiN层与AlCrO层交替沉积得到；所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度为100～800nm；所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比为1:1～4:1。本发明通过设计多层结构、调整涂层成分参数、改变涂层厚度和比例等，可实现α或γ相的(Al,Cr)2O3稳定生成；使得AlTiN/AlCrO涂层较AlCrO涂层，具有硬度高、结合力好、耐磨性优异的特性，显著提高刀具的使用寿命。
本发明提供了一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层的制备方法，包括：
A)将基体进行预处理；
B)在预处理后的基体表面上通过电弧离子镀沉积AlTiN过渡层；
C)在所述AlTiN过渡层上采用电弧离子镀沉积AlTiN/AlCrO交替层；
所述沉积AlTiN参数具体为：通入N2，调节气压至1.0～4.0Pa，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积偏压为-60～-150V；
所述沉积AlCrO参数具体为：关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.6～1.5Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积偏压为-60～-150V；
D)在所述AlTiN/AlCrO交替层上电弧离子镀沉积顶层AlTiN涂层。
本发明提供的一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层的制备方法首先将基体进行预处理。
本发明所述基体进行预处理具体为：将基体抛光处理，用金属清洗剂溶液、酒精超声清洗10～20min，用去离子水漂洗，再用氮气吹干后置于腔体内。
本发明对所述金属清洗剂不进行限定，本领域技术人员熟知的常规金属清洗剂即可。所述腔体内优选为真空室。本发明对于所述具体的清洗步骤不进行限定，满足上述参数的本领域技术人员熟知的即可。
所述腔体参数具体为：腔体温度优选400～550℃，更优选为420～530℃，腔体真空度优选为3.0～8.0×10-3Pa；更优选为4～7×10-3Pa；离子源通入Ar气，腔室内部气压优选为0.5～3.0Pa，更优选为0.8～2.8Pa，离子源功率优选为2～5kW，更优选为2.5～4.5kW，工件支架偏压优选-300～-500V，更优选为-350～-450V，基体表面进行溅射清洗的溅射时间优选为25～50min；更优选为30～45min。
在预处理后的基体表面上通过电弧离子镀沉积AlTiN过渡层。
在基体表面上通过电弧离子镀沉积AlTiN过渡层，提高膜-基结合力同时为多层结构提供支撑。
按照本发明，所述沉积AlTiN过渡层的参数具体为：偏压优选为-60～-150V，更优选为-70～-130V，通入N2气，气压优选为1.0～4.0Pa，更优选为1.5～3.5Pa，点燃AlTi电弧靶，电弧靶的靶电流优选为80～150A，更优选为90～140A，沉积AlTiN过渡层的时间优选为10～50min；更优选为15～45min。
在所述AlTiN过渡层上采用电弧离子镀沉积AlTiN/AlCrO交替层。
在本发明中，所述沉积AlTiN参数优选具体为：通入N2，调节气压至1.0～4.0Pa，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积偏压为-60～-150V；更优选具体为：通入N2，调节气压至1.5～3.5Pa，电弧靶的靶电流为90～140A，沉积偏压为-70～-140V；最优选具体为：通入N2，调节气压至2～3.5Pa，电弧靶的靶电流为100～130A，沉积偏压为-80～-130V；
所述沉积AlCrO参数优选具体为：关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.6～1.5Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积偏压为-60～-150V；更优选具体为：关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.7～1.4Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为90～140A，沉积偏压为-70～-140V；最优选具体为：关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.8～1.3Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为95～130A，沉积偏压为-80～-130V。
如此交替循环制备AlTiN/AlCrO的交替层，通过调整ATiN的时间和AlCrO的沉积时间来控制调制周期以及调制比。
在所述AlTiN/AlCrO交替层上电弧离子镀沉积顶层AlTiN涂层。
按照本发明，所述沉积顶层AlTiN涂层参数优选具体为：偏压为-60～-150V，通入N2气，气压为1.0～4.0Pa，沉积AlTiN过渡层的时间为25～50min；更优选具体为：偏压为-70～-140V，通入N2气，气压为1.5～3.5Pa，沉积AlTiN过渡层的时间为30～50min；最优选为偏压为-80～-130V，通入N2气，气压为2～3.5Pa，沉积AlTiN过渡层的时间为30～45min。
待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层即为周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层。
本发明采用电弧离子镀技术，能够在较低温度下实现α或γ相的(Al,Cr)2O3生成，且通过多层结构设计，将传统AlTiN涂层与AlCrO涂层有机结合起来，有效改善AlTiN抗氧化性差和AlCrO涂层硬度低、韧性及结合力差的问题，使其具有较高的硬度、良好的结合力以及优异的切削性能。可根据具体的应用场景，通过控制调制周期与调制比灵活调整涂层的性能，使其性能偏向AlTiN涂层或者AlCrO涂层或者兼具两种涂层的性能，在应用中展现出良好的性能。本发明的制备方法简单，可操作性强，可控性好，降低了对镀膜设备真空度的要求，适用于刀具产品表面的防护，具有较好的经济效益。
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周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层及其制备方法进行详细描述。
实施例1
一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，其特征在于：所述涂层由下至上包括基体、过渡层AlTiN涂层、交替层AlTiN/AlCrO涂层以及顶层AlTiN涂层；多层AlTiN/AlCrO涂层是由调制比为3:1的AlTiN层与AlCrO层交替沉积而成，调制周期为175nm，交替周期为24周期；过渡层、顶层和交替层中AlTiN层的各元素原子百分比为：Al:28at.％，Ti:20at.％，N:52at.％；多层AlTiN/AlCrO层中AlCrO层中各元素的原子百分比为：Al:26at.％，Cr:12at.％，O:62at.％。
将金属基体抛光处理，然后先后用金属清洗剂溶液、酒精超声清洗10min，然后用去离子水漂洗，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器将腔体升温至550℃，对腔体抽真空至真空度在3.0×10-3Pa以上；然后向离子源通入Ar气，调节腔室内部气压为3.0Pa，设置离子源功率为2kW，设置工件支架偏压-300V，对金属基体表面进行溅射清洗，溅射时间为50min。之后将偏压调至-100V,通入N2气，调节气压至4.0Pa，电弧靶的靶电流为120A,沉积AlTiN过渡层30min。调节气压至3.0Pa，电弧靶的靶电流为100A，沉积偏压为-80V，沉积10min；之后关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.6Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为100A，沉积偏压为-100V，沉积5min；如此交替循环24次制备AlTiN/AlCrO的交替层。最后关闭O2，将偏压调至-100V，通入N2气，调节气压至4.0Pa，电弧靶的靶电流为120A，沉积AlTiN过渡层30min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，过渡层AlTiN厚度为0.5μm，AlTiN/AlCrO交替层的厚度为4.2μm，顶层AlTiN厚度为0.5μm。
图1为周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层的结构示意图。涂层的结构由AlTiN过渡层，周期性AlTiN/AlCrO交替层，以及顶层AlTiN涂层构成。AlTiN过渡层，用以提高膜-基结合力同时为多层结构提供支撑；AlTiN/AlCrO交替层中，AlTiN层起到一定的模板作用，有利于AlCrO的结晶；最后在顶层沉积AlTiN涂层，用以提高表面硬度及韧性。
图2是实施例1中制备的AlTiN/AlCrO涂层的截面SEM图。从图中可以看出，涂层主要由AlTiN过渡层，周期性AlTiN/AlCrO交替层，以及顶层AlTiN涂层构成，其中过渡层AlTiN厚度约为500nm，AlTiN/AlCrO交替层厚度约为4.2μm，顶层AlTiN厚度约为500nm。从截面SEM图可以看出涂层结构非常致密。
实施例2
一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，其特征在于：所述涂层由下至上包括基体、过渡层AlTiN涂层、交替层AlTiN/AlCrO涂层以及顶层AlTiN涂层；多层AlTiN/AlCrO涂层是由调制比为1:1的AlTiN层与AlCrO层交替沉积而成，调制周期为400nm，交替周期为10周期；过渡层、顶层和交替层中AlTiN层的各元素原子百分比为：Al:20at.％，Ti:30at.％，N:50at.％；多层AlTiN/AlCrO层中AlCrO层中各元素的原子百分比为：Al:24at.％，Cr:16at.％，O:60at.％。
将金属基体抛光处理，然后先后用金属清洗剂溶液、酒精超声清洗15min，然后用去离子水漂洗，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器将腔体升温至500℃，对腔体抽真空至真空度在5.0×10-3Pa以上；然后向离子源通入Ar气，调节腔室内部气压为2.0Pa，设置离子源功率为3kW，设置工件支架偏压-400V，对金属基体表面进行溅射清洗，溅射时间为40min。之后将偏压调至-60V,通入N2气，调节气压至3.0Pa，电弧靶的靶电流为120A,沉积AlTiN过渡层10min。调节气压至2.0Pa，电弧靶的靶电流为80A，沉积偏压为-100V，沉积20min；之后关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.9Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为120A，沉积偏压为-60V，沉积25min；如此交替循环交替10次制备AlTiN/AlCrO的交替层。最后关闭O2,将偏压调至-150V，通入N2气，调节气压至3.0Pa，电弧靶的靶电流为150A，沉积AlTiN过渡层50min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，过渡层AlTiN厚度为0.2μm，AlTiN/AlCrO交替层的厚度为4μm，顶层AlTiN厚度为1μm。
图3是实施例1中制备的周期性多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的XRD图。从图中可以看出周期性多层结构的AlTiN/AlCrO涂层中主要由固溶的AlTiN相、α和γ相的(Al,Cr)2O3相构成，其中WC的衍射峰为基体硬质合金的峰。
图4是AlCrO涂层与多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的硬度及弹性模量。由图可得，多层结构的AlTiN/AlCrO涂层硬度为24.7±1.3GPa比AlCrO涂层的硬度19.1±1.2GPa提高了将近5GPa，体现出了明显的优势。
图5是单层AlCrO(a)与多层结构的AlTiN/AlCrO涂层(b)的结合力测试结果。该测试在硬质合金基体沉积涂层，采用洛氏压头，测试加载力为60kg，之后再显微镜下观察凹坑的形貌。从图(a)可以看出单层AlCrO出现大面积剥落，结合力为等级为HF6不合格，而图(b)可以看出多层结构的AlTiN/AlCrO涂层表面仅有3条裂纹纯在，结合力等级为HF1极好。由此看见采用多层结构的AlTiN/AlCrO能够有效改善AlCrO结合力差的问题。
图6是AlCrO涂层与多层结构的AlTiN/AlCrO涂层H/E*的比值，该值主要反应涂层抗裂纹扩展的能力，一定程度上能够反应涂层的韧性。AlCrO的H/E*值为0.0485，AlTiN/AlCrO的为0.0724，说明多层结构能够有效改善AlCrO涂层的韧性。
图7是AlTiN涂层与多层结构的AlTiN/AlCrO涂层的切削寿命对比。由图可得，在加工45#钢时多层结构的AlTiN/AlCrO涂层寿命为494.55m比AlTiN的303.8m提高了将近60％，体现出了明显的优势。
实施例3按下列步骤实现本发明：
一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，其特征在于：所述涂层由下至上包括基体、过渡层AlTiN涂层、交替层AlTiN/AlCrO涂层以及顶层AlTiN涂层；多层AlTiN/AlCrO涂层是由调制比为2:1的AlTiN层与AlCrO层交替沉积而成，调制周期为300nm，交替周期为15周期；过渡层、顶层和交替层中AlTiN层的各元素原子百分比为：Al:23at.％，Ti:22at.％，N:55at.％；多层AlTiN/AlCrO层中AlCrO层中各元素的原子百分比为：Al:22at.％，Cr:18at.％，O:60at.％。
将金属基体抛光处理，然后先后用金属清洗剂溶液、酒精超声清洗15min，然后用去离子水漂洗，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器将腔体升温至450℃，对腔体抽真空至真空度在8.0×10-3Pa以上；然后向离子源通入Ar气，调节腔室内部气压为0.5Pa，设置离子源功率为5kW，设置工件支架偏压-500V，对金属基体表面进行溅射清洗，溅射时间为25min。之后将偏压调至-60V,通入N2气，调节气压至1.0Pa，电弧靶的靶电流150A,沉积AlTiN过渡层40min。调节气压至2.0Pa，电弧靶的靶电流为80A，沉积偏压为-150V，沉积10min；之后关闭N2气，通入O2气，调整气压至1.5Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为80A，沉积偏压为-80V，沉积15min；如此交替循环交替15次制备AlTiN/AlCrO的交替层。最后关闭O2,将偏压调至-60V，通入N2气，调节气压至1.0Pa，电弧靶的靶电流为80A，沉积AlTiN过渡层40min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，过渡层AlTiN厚度为1.0μm，AlTiN/AlCrO交替层的厚度为4.5μm，顶层AlTiN厚度为0.6μm。
实施例4按下列步骤实现本发明：
一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，其特征在于：所述涂层由下至上包括基体、过渡层AlTiN涂层、交替层AlTiN/AlCrO涂层以及顶层AlTiN涂层；多层AlTiN/AlCrO涂层是由调制比为1:1的AlTiN层与AlCrO层交替沉积而成，调制周期为100nm，交替周期为50周期；过渡层、顶层和交替层中AlTiN层的各元素原子百分比为：Al:30at.％，Ti:25at.％，N:45at.％；多层AlTiN/AlCrO层中AlCrO层中各元素的原子百分比为：Al:15at.％，Cr:23at.％，O:58at.％。
将金属基体抛光处理，然后先后用金属清洗剂溶液、酒精超声清洗20min，然后用去离子水漂洗，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器将腔体升温至400℃，对腔体抽真空至真空度在8.0×10-3Pa以上；然后向离子源通入Ar气，调节腔室内部气压为0.5Pa，设置离子源功率为3kW，设置工件支架偏压-400V，对金属基体表面进行溅射清洗，溅射时间为40min。之后将偏压调至-60V,通入N2气，调节气压至4.0Pa，电弧靶的靶电流为120A,沉积AlTiN过渡层35min。调节气压至4.0Pa，电弧靶的靶电流为120A，沉积偏压为-100V，沉积5min；之后关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.9Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为120A，沉积偏压为-60V，沉积5min；如此交替循环交替50次制备AlTiN/AlCrO的交替层。最后关闭O2,将偏压调至-150V，通入N2气，调节气压至3.0Pa，电弧靶的靶电流为150A，沉积AlTiN过渡层25min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，过渡层AlTiN厚度为0.7μm，AlTiN/AlCrO交替层的厚度为5μm，顶层AlTiN厚度为0.5μm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层，其特征在于，包括：
基体；
设置于所述基体上的AlTiN过渡层；
设置于所述AlTiN过渡层上的AlTiN/AlCrO交替层；
设置于所述AlTiN/AlCrO交替层上的顶层AlTiN涂层；
所述AlTiN/AlCrO交替层是由AlTiN层与AlCrO层交替沉积得到；
所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度为100～800nm；所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比为1:1～4:1。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述交替单元的数量为5～50个。
3.根据权利要求2所述的涂层，其特征在于，所述AlTiN/AlCrO交替层中每一个交替单元的厚度为100～500nm；所述每一个交替单元中AlTiN层与AlCrO层的厚度比为2:1～3:1。
4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述AlTiN过渡层厚度为0.2～1μm，AlTiN/AlCrO交替层的总厚度为2～5μm，顶层AlTiN涂层厚度为0.5～1μm。
5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述过渡层、顶层和交替层中AlTiN层的各元素原子百分比独立的选自：Al:20～30at.％，Ti:15～30at.％，N:45～55at.％；
所述AlTiN/AlCrO交替层中AlCrO层中各元素的原子百分比为：Al:15～27at.％，Cr:12～23at.％，O:58～62at.％。
6.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述基体材料选自高速钢、硬质合金或陶瓷。
7.一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层的制备方法，其特征在于，包括：
A)将基体进行预处理；
B)在预处理后的基体表面上通过电弧离子镀沉积AlTiN过渡层；
C)在所述AlTiN过渡层上采用电弧离子镀沉积AlTiN/AlCrO交替层；
所述沉积AlTiN参数具体为：通入N2，调节气压至1.0～4.0Pa，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积偏压为-60～-150V；
所述沉积AlCrO参数具体为：关闭N2气，通入O2气，调整气压至0.6～1.5Pa，点燃AlCr靶，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积偏压为-60～-150V；
D)在所述AlTiN/AlCrO交替层上电弧离子镀沉积顶层AlTiN涂层。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤A)所述基体进行预处理具体为：将基体抛光处理，用金属清洗剂溶液、酒精超声清洗10～20min，用去离子水漂洗，再用氮气吹干后置于腔体内；所述腔体参数具体为：腔体温度400～550℃，腔体真空度为3.0～8.0×10-3Pa；离子源通入Ar气，腔室内部气压为0.5～3.0Pa，离子源功率为2～5kW，工件支架偏压-300～-500V，基体表面进行溅射清洗的溅射时间为25～50min。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤B)所述沉积AlTiN过渡层的参数具体为：偏压为-60～-150V，通入N2气，气压为1.0～4.0Pa，点燃AlTi电弧靶，电弧靶的靶电流为80～150A，沉积AlTiN过渡层的时间为10～50min。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤D)所述沉积顶层AlTiN涂层参数具体为：偏压为-60～-150V，通入N2气，气压为1.0～4.0Pa，沉积AlTiN过渡层的时间为25～50min。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113584439A (zh) * 2021-07-30 2021-11-02 湖南泰嘉新材料科技股份有限公司 一种双金属带锯条铣齿用涂层滚铣刀及其制备方法和应用
CN115305441A (zh) * 2022-08-25 2022-11-08 株洲钻石切削刀具股份有限公司 具有多个氧化物层结构的复合涂层切削刀具

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104564404A (zh) * 2013-10-17 2015-04-29 马勒国际有限公司 用于内燃机的钢制活塞及其制造方法
CN108754415A (zh) * 2018-04-28 2018-11-06 广东工业大学 一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用
WO2019181741A1 (ja) * 2018-03-19 2019-09-26 住友電気工業株式会社 表面被覆切削工具

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104564404A (zh) * 2013-10-17 2015-04-29 马勒国际有限公司 用于内燃机的钢制活塞及其制造方法
WO2019181741A1 (ja) * 2018-03-19 2019-09-26 住友電気工業株式会社 表面被覆切削工具
CN108754415A (zh) * 2018-04-28 2018-11-06 广东工业大学 一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113584439A (zh) * 2021-07-30 2021-11-02 湖南泰嘉新材料科技股份有限公司 一种双金属带锯条铣齿用涂层滚铣刀及其制备方法和应用
CN115305441A (zh) * 2022-08-25 2022-11-08 株洲钻石切削刀具股份有限公司 具有多个氧化物层结构的复合涂层切削刀具
CN115305441B (zh) * 2022-08-25 2023-09-05 株洲钻石切削刀具股份有限公司 具有多个氧化物层结构的复合涂层切削刀具

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