CN113652639A - 梯度结构的合金涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金涂层技术领域，具体涉及一种梯度结构的合金涂层及其制备方法，该涂层包含由1‑3组多层结构，所述的多层结构由内向外依次为TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层，所述的TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度比例为0.1‑1:0.1‑1:1；通过合金涂层的梯度设计，得到一种兼具硬度和韧性的合金涂层，具有平衡而优异的性能，应用前景广泛。

Description

梯度结构的合金涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金涂层技术领域，具体涉及一种梯度结构的合金涂层及其制备方法。
背景技术
硬质合金是由硬质难熔金属碳化物相和粘结金属相组成的烧结材料，具有高硬度、高强度、高弹性模量高、耐磨耐腐蚀性好等特点，广泛应用于各种切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀零部件等。
一般在硬质合金表面镀覆涂层，涂层是硬质合金非常重要的组成，大量的研究都集中在涂层上面。TiN涂层是一种常用的涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。
相应的改性也很多，主要是在涂层中掺杂不同的元素来改善涂层的性能，常见的添加元素有Al、Zr、Nb、V、Si等，但这种改性往往只能改善涂层的某一方面的性能，尤其是很难同时改善涂层的硬度和韧性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种梯度结构的合金涂层及其制备方法，该涂层包含由1-3组多层结构，所述的多层结构由内向外依次为TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层；
所述的TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度比例为0.1-1:0.1-1:1。
优选的，所述厚度比例为0.3-0.5:0.5-0.8:1。
其中，TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度分别为0.1-1μm；
优选的，TiAlYN层为0.2-0.4μm，TiZrN层为0.4-0.5μm，TiSiN层为0.6-0.8μm。
TiAlYN层中，Ti:Al:Y的原子比例为1:1-2:0.5-0.8；
TiZrN层中，Ti:Zr的原子比例为1:0.6-2；
TiSiN层中，Ti:Si的原子比例为1:1-2。
所述的合金涂层沉积在硬质合金表面。
所述的硬质合金没有特别的限定，只要是本领域常见的硬质合金即可，比如WC-Co合金，或进一步包含其他金属元素的WC-Co合金。
所述的其他金属元素包含Cr、V、Ni、Y中的一种或多种。
所述合金涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)硬质合金表面清洗，硬质合金使用丙酮浸泡后超声清洗，然后用氩离子轰击刻蚀，对刀具表面进行活化；
(2)通入氮气，用阴极电弧离子镀技术在硬质合金表面沉积涂层，依次开启TiAlYN靶、TiZrN靶和TiSiN靶，将涂层沉积到硬质合金表面；上述沉积的步骤重复1-3次；
(3)真空下将自然冷却，得到一种梯度结构的合金涂层。
发明人在研究涂层的多层结构中，在某次实验中涂层的厚度发生了偏差，却意外的发现得到的涂层性能上要优于以往的涂层，发明人意识到，相应的涂层和厚度要有一定的配合，各涂层之间的厚度也有一定的比例，重复了多次试验，才完成了本发明。
与现有技术相比，本发明的合金涂层具有以下有益效果：
(1)Y元素作为稀土金属容易形变，电子结构特殊，Zr元素有助于提高涂层的机械和耐腐性能，而且有利于改善涂层的结合力，Al元素、Si元素有利于改善涂层的硬度和抗氧化性能，本发明将多种元素复合，TiAlYN层有利于涂层和基体的结合，TiZrN层有助于各涂层间的结合，TiSiN层能保证涂层的硬度和氧化，延长使用涂层的使用寿命。
本发明使用上述元素改性，并制备形成梯度结构的涂层，综合利用不同元素的性能，得到一种兼具硬度和韧性的合金涂层，具有平衡而优异的性能，应用前景广泛。
(2)稀土金属元素Y价格较贵，而本发明使用多种元素复合以及设计多层结构，既可以最大程度的利用稀土金属元素的特殊性能，又可以节约成本，综合下来，本发明得到的硬质合金成本得到控制，性能优异，并且本发明的制备工艺简单，可以直接应用于工业生产。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种梯度结构的合金涂层，该涂层包含由1-3组多层结构，所述的多层结构由内向外依次为TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层；
所述的TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度比例为0.1-1:0.1-1:1。
优选的，所述厚度比例为0.3-0.5:0.5-0.8:1。
其中，TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度分别为0.1-1μm；
优选的，TiAlYN层为0.2-0.4μm，TiZrN层为0.4-0.5μm，TiSiN层为0.6-0.8μm。
TiAlYN层中，Ti:Al:Y的原子比例为1:1-2:0.5-0.8；
TiZrN层中，Ti:Zr的原子比例为1:0.6-2；
TiSiN层中，Ti:Si的原子比例为1:1-2。
所述的合金涂层沉积在硬质合金表面。
所述的硬质合金没有特别的限定，只要是本领域常见的硬质合金即可，比如WC-Co合金，或进一步包含其他金属元素的WC-Co合金。
所述的其他金属元素包含Cr、V、Ni、Y中的一种或多种。
所述合金涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)硬质合金表面清洗，硬质合金使用丙酮浸泡后超声清洗，然后用氩离子轰击刻蚀，对刀具表面进行活化；
(2)通入氮气，用阴极电弧离子镀技术在硬质合金表面沉积涂层，依次开启TiAlYN靶、TiZrN靶和TiSiN靶，将涂层沉积到硬质合金表面；上述沉积的步骤重复1-3次；
(3)真空下将自然冷却，得到一种梯度结构的合金涂层。
实施例1
一种梯度结构的合金涂层，该涂层包含由2组多层结构，所述的多层结构由内向外依次为TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层；
所述的TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度比例为0.38:0.62:1。
其中，TiAlYN层为0.29μm，TiZrN层为0.47μm，TiSiN层为0.75μm。
TiAlYN层中，Ti:Al:Y的原子比例为1:1.67:0.67；
TiZrN层中，Ti:Zr的原子比例为1:1；
TiSiN层中，Ti:Si的原子比例为1:1.5。
所述的合金涂层沉积在硬质合金表面。
所述的硬质合金WC-Co合金。
所述合金涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)硬质合金表面清洗，硬质合金使用丙酮浸泡后超声清洗，然后用氩离子轰击刻蚀，对刀具表面进行活化；
(2)通入氮气，用阴极电弧离子镀技术在硬质合金表面沉积涂层，依次开启TiAlYN靶、TiZrN靶和TiSiN靶，将涂层沉积到硬质合金表面；上述沉积的步骤重复2次；
(3)真空下将自然冷却，得到一种梯度结构的合金涂层。
实施例2
一种梯度结构的合金涂层，该涂层包含由2组多层结构，所述的多层结构由内向外依次为TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层；
所述的TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度比例为0.49:0.71:1。
其中，TiAlYN层为0.33μm，TiZrN层为0.48μm，TiSiN层为0.68μm。
TiAlYN层中，Ti:Al:Y的原子比例为1:1.67:0.67；
TiZrN层中，Ti:Zr的原子比例为1:1；
TiSiN层中，Ti:Si的原子比例为1:1.5。
所述的合金涂层沉积在硬质合金表面。
所述的硬质合金WC-Co合金。
所述合金涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)硬质合金表面清洗，硬质合金使用丙酮浸泡后超声清洗，然后用氩离子轰击刻蚀，对刀具表面进行活化；
(2)通入氮气，用阴极电弧离子镀技术在硬质合金表面沉积涂层，依次开启TiAlYN靶、TiZrN靶和TiSiN靶，将涂层沉积到硬质合金表面；上述沉积的步骤重复2次；
(3)真空下将自然冷却，得到一种梯度结构的合金涂层。
对比例1
一种梯度结构的合金涂层，该涂层包含由2组多层结构，所述的多层结构由内向外依次为TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层；
所述的TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度比例为0.16:0.4:1。
其中，TiAlYN层为0.15μm，TiZrN层为0.38μm，TiSiN层为0.96μm。
TiAlYN层中，Ti:Al:Y的原子比例为1:1.67:0.67；
TiZrN层中，Ti:Zr的原子比例为1:1；
TiSiN层中，Ti:Si的原子比例为1:1.5。
所述的合金涂层沉积在硬质合金表面。
所述的硬质合金WC-Co合金。
所述合金涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)硬质合金表面清洗，硬质合金使用丙酮浸泡后超声清洗，然后用氩离子轰击刻蚀，对刀具表面进行活化；
(2)通入氮气，用阴极电弧离子镀技术在硬质合金表面沉积涂层，依次开启TiAlYN靶、TiZrN靶和TiSiN靶，将涂层沉积到硬质合金表面；上述沉积的步骤重复2次；
(3)真空下将自然冷却，得到一种梯度结构的合金涂层。
对比例2
一种梯度结构的合金涂层，该涂层包含由2组多层结构，所述的多层结构由内向外依次为TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层；
所述的TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度比例为1:1:1。
其中，TiAlYN层为0.5μm，TiZrN层为0.5μm，TiSiN层为0.5μm。
TiAlYN层中，Ti:Al:Y的原子比例为1:1.67:0.67；
TiZrN层中，Ti:Zr的原子比例为1:1；
TiSiN层中，Ti:Si的原子比例为1:1.5。
所述的合金涂层沉积在硬质合金表面。
所述的硬质合金WC-Co合金。
所述合金涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)硬质合金表面清洗，硬质合金使用丙酮浸泡后超声清洗，然后用氩离子轰击刻蚀，对刀具表面进行活化；
(2)通入氮气，用阴极电弧离子镀技术在硬质合金表面沉积涂层，依次开启TiAlYN靶、TiZrN靶和TiSiN靶，将涂层沉积到硬质合金表面；上述沉积的步骤重复2次；
(3)真空下将自然冷却，得到一种梯度结构的合金涂层。
采用CSM公司Micro-Combi Tester型纳米压痕模块对各长条合金样品的纳米硬度和弹性模量进行测定，为了保证测试结果准确性，待测涂层样品表面进行了湿喷砂后处理，以减小涂层表面液滴的影响，同时每个样品测量10个点取得平均值，结果如表1所示。
表1：硬质合金涂层性能测试
纳米硬度/GPa 弹性模量/GPa H<sup>3</sup>/E<sup>2</sup>
实施例1 38.8 401.3 0.363
实施例2 36.9 386.0 0.337
对比例1 31.8 321.9 0.310
对比例2 33.7 341.8 0.327
从测试结果可以看出，实施例1-2涂层相对于对比例涂层，纳米硬度更高，且具有更好的韧性、抗塑性变形能力，也即为通过控制各涂层之间的厚度比例，形成一定的梯度结构，最后得到的涂层不仅硬度更好，且韧性同时得到改善，具有非常优异的性能改进。
当然，本领域技术人员知悉，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种梯度结构的合金涂层，其技术特征在于，该涂层包含由1-3组多层结构，所述的多层结构由内向外依次为TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层；
所述的TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度比例为0.1-1:0.1-1:1。
2.根据权利要求1中所述的合金涂层，其技术特征在于，所述厚度比例为0.3-0.5:0.5-0.8:1。
3.根据权利要求1中所述的合金涂层，其技术特征在于，TiAlYN层、TiZrN层和TiSiN层厚度分别为0.1-1μm。
4.根据权利要求1中所述的合金涂层，其技术特征在于，TiAlYN层为0.2-0.4μm，TiZrN层为0.4-0.5μm，TiSiN层为0.6-0.8μm。
5.根据权利要求1中所述的合金涂层，其技术特征在于，TiAlYN层中，Ti:Al:Y的原子比例为1:1-2:0.5-0.8。
6.根据权利要求1中所述的合金涂层，其技术特征在于，TiZrN层中，Ti:Zr的原子比例为1:0.6-2。
7.根据权利要求1中所述的合金涂层，其技术特征在于，TiSiN层中，Ti:Si的原子比例为1:1-2。
8.根据权利要求1中所述的合金涂层，其技术特征在于，所述的合金涂层沉积在硬质合金表面；
优选的，所述的硬质合金为WC-Co合金，或进一步包含其他金属元素的WC-Co合金。
9.根据权利要求8中所述的合金涂层，其技术特征在于，所述的其他金属元素包含Cr、V、Ni、Y中的一种或多种。
10.根据权利要求1-9中任一项所述合金涂层的制备方法，其技术特征在于，包括如下步骤：
(1)硬质合金表面清洗，硬质合金使用丙酮浸泡后超声清洗，然后用氩离子轰击刻蚀，对刀具表面进行活化；
(2)通入氮气，用阴极电弧离子镀技术在硬质合金表面沉积涂层，依次开启TiAlYN靶、TiZrN靶和TiSiN靶，将涂层沉积到硬质合金表面；上述沉积的步骤重复1-3次；
(3)真空下将自然冷却，得到一种梯度结构的合金涂层。
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