CN113667931B - 一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，属于刀具涂层制造技术领域。具体的涂层成分含3～8mol.％的镧系稀土氧化物，其中镧系稀土元素均匀分布在涂层中。制备过程包括将经过离子刻蚀的基材置于真空室中，安装钛源靶材、硅源靶材以及稀土氧化物靶材，氮气环境下，通过磁控溅射法进行镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层的沉积。本发明提供的镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，镧系稀土氧化物与Ti，Si，N元素相容性高，可以被用做耐高温涂层的增强、增韧添加剂，可显著提高涂层的耐高温能力，并且可以在物理气相沉积设备中一次性完成，不需要增添额外步骤，主要原料均为工业常用元素，具有成本低的优势。

Description

一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层
技术领域
本发明涉及刀具涂层制造技术领域，具体涉及一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层。
背景技术
随着对材料加工效率的要求提高，高主轴转速和切削线速度伴随着加工过程中产生的高温，剧烈磨损，氧化腐蚀等失效形式不断对机加工刀具造成新的挑战。涂层被认为是可以大幅提升刀具切削能力的方法，并且涂层刀具的重要性已被业界广泛认可。三元TiSiN涂层展现出很强的化学惰性和耐磨性，被认为是长寿命高速加工工具的适用涂层。但由于采用物理气相沉积法制备的三元TiSiN涂层厚度较薄，容易氧化分解，高速加工过程中刀具表面产生大量的热，对刀具表面形成高温氧化复合腐蚀效应，而TiSiN最高可承受1000℃的高温氧化，高于该温度时，涂层会由于氧化产物的增多，饱和蒸汽压升高，产生大面积分解和剥落，加速刀具失效，所以TiSiN涂层在耐高温(≥1200℃)方面无法与化学气相沉积氧化铝涂层媲美。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层。Ln2O3以离子的形式与Ti，Si，N元素共同沉积在工具基体上，形成TiSiLnNO复合涂层，提高涂层的耐高温能力。
本发明的技术方案之一，一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，涂层成分含3～8mol.％的镧系稀土氧化物，其中镧系稀土元素均匀分布在涂层中。
物理气相沉积难以精确控制过低掺杂量，并且耐高温效果不明显，掺杂量过高一方面会导致涂层耐磨性降低，另一方面会导致镧系稀土元素在晶界偏析，降低涂层结合强度。
进一步地，所述镧系稀土氧化物包括钇的氧化物，所述镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层厚度为3～5μm。
本发明的技术方案之二，上述镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层的制备方法，包括以下步骤：将经过离子刻蚀的基材置于真空室中，安装钛源靶材、硅源靶材以及稀土氧化物靶材，氮气环境下，通过磁控溅射法进行镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层的沉积。
进一步地，钛源靶材、硅源靶材持续通入120-180A电流，维持-50V偏压；稀土氧化物靶材持续通入100A电流，维持-20V偏压。
通过电流和偏压控制稀土掺杂量，氧化物靶材属于陶瓷靶，电流过高易碎裂。
进一步地，所述钛源靶材、硅源靶材为TiSi靶材，其中硅含量为15～25wt.％。
进一步地，所述真空室真空度为5×10-4mbar，氮气流量为500sccm，所述沉积时间60-240min。
进一步地，所述离子刻蚀具体包括以下步骤：
将基材置于真空室中，抽真空至5×10-4mbar，升温至450℃，向真空室内通入氩气，氩气流量为45sccm，维持偏压-180V进行离子轰击得到经过离子刻蚀的基材。
离子刻蚀是物理气相沉积步骤，可以提高表面能，增大涂层结合力
进一步地，涂层制备过程中，基材保持公转和自传，有利于制备均匀涂层。
公转速度5-10rpm，自转速度通常为公转速度的2-3倍。
本发明的技术方案之三，上述镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层在刀具涂层中的应用。
进一步地，所述刀具为切削刀具。
本发明的技术方案之四，一种切削刀具，所述切削刀具表面涂层为上述镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，镧系稀土氧化物Ln2O3，与Ti，Si，N元素相容性高，可以被用做耐高温涂层的增强、增韧添加剂；Ln2O3以离子的形式与Ti，Si，N元素共同沉积在工具基体上，形成TiSiLnNO复合涂层，提高涂层的耐高温能力，并且可以在物理气相沉积设备中一次性完成，不需要增添额外步骤，并且主要原料均为工业常用元素，靶材的获取相对容易，具有成本低的优势。
镧系稀土氧化物本身可提供高于1600℃以上的抗高温氧化能力，与TiSiN复合后形成均匀的TiSiLnNO复合涂层，一方面，由于镧系稀土氧化物本身性质决定的Ln+3和O-2离子提供的离子空穴和点缺陷可以抑制TiSiN分解，另一方面，复合后涂层对氧化产物的润湿性提高，从而减缓氧化产物的挥发。物理气相沉积过程中，元素以离子形式被轰击至基体表面，并与N离子反应，涂层均匀性得到保证，更有利于复合涂层的耐氧化性提升。
附图说明
图1为本发明实施例制备的厚度为4.5μm的涂层的X射线能谱图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
(1)以碳氮化钛基金属陶瓷材料为基材，经清洗、烘干后进行离子刻蚀，具体过程如下：基材置于转架(转架具有行星式机构，可以在进行涂层过程中保持公转和自转，公转转速10rpm，自转转速30rpm)上推入真空室内，安装TiSi靶材和氧化镧靶材，抽真空至5×10-4mbar，升温至450℃，向真空室内通入氩气，氩气流量为45sccm，维持偏压-180V，吸引Ar+对基体表面进行离子轰击，将刀具表面进行刻蚀。
(2)关闭步骤(1)电源，抽真空至5×10-4mbar，之后向真空室持续通入500sccm氮气，随即向TiSi靶材持续通入120～180A电流，维持-50V偏压，同时向稀土氧化物靶材持续通入100A电流，维持-20V偏压，形成复合TiSiN涂层，总的沉积时间控制在60～240分钟，得到表1所述的5种不同厚度的涂层。对所得涂层进行氧化镧含量以及1200℃氧化增重速率测定，具体结果见表1。
表1
Figure BDA0003219207650000041
由以上数据可以得出，当涂层厚度过大或者过小时，1200℃氧化增重速率均明显提升，其原因在于涂层厚度小，对基体保护不足，高温氧化条件下氧迅速侵入基体，造成大面积氧化；涂层厚度过大，涂层中不可避免因内应力产生微裂纹，形成氧扩散通道，造成氧化速率增大。
对制得的厚度为4.5μm的涂层进行X射线能谱分析，结果见图1，由图1可以得出，涂层中Ti，Si，O，N，Ln元素均匀分布。
实施例2
同实施例1，区别在于，省略稀土氧化物靶材制备TiSiN涂层，对制得的涂层进行1200℃氧化增重速率试验验证，结果为32.2×10-12。由此可得，稀土氧化物的掺杂在极大程度上降低了1200℃氧化增重速率，使涂层的耐高温性能更佳。
上述内容中1200℃氧化增重速率验证方法具体如下：
将实施例中的试样放置于可控气氛炉内，在流动氩气气氛中，以5℃/min的升温速率升温至1200℃，温度到达1200℃后关闭氩气，并通入氮气/氧气(比例为8/2)混合气。试样在该条件下分别经过1h，5h，10h，50h，100h的氧化处理，并分别在万分之一天平上称重，求得氧化增重速率。
实施例3
将实施例1中制备的刀片样品进行切削精度及寿命进行检测，其中编号1-5对应实施例1编号1-5，编号6为省略稀土氧化物靶材的实施例2TiSiN涂层的刀具，具体方法如下：
刀具型号：CNMG120408
被切削材料：S45C钢
被切削材料形状：150mm×Φ80mm
切削速度：350m/min
进给：0.25mm/rev
切深：1.0mm
冷却剂：无
表2
Figure BDA0003219207650000051
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，其特征在于，涂层成分含3～8mol.％的镧系稀土氧化物，其中镧系稀土元素均匀分布在涂层中；
所述镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层厚度为3～5μm；
所述的镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层的制备方法，包括以下步骤：将经过离子刻蚀的基材置于真空室中，安装钛源靶材、硅源靶材以及稀土氧化物靶材，氮气环境下，通过磁控溅射法进行镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层的沉积；
钛源靶材、硅源靶材持续通入120-180A电流，维持-50V偏压；稀土氧化物靶材持续通入100A电流，维持-20V偏压；
所述真空室真空度为5×10-4mbar，氮气流量为500sccm，所述沉积时间60-240min；
所述钛源靶材、硅源靶材为TiSi靶材，其中硅含量为15～25wt.％；
所述镧系稀土氧化物为氧化镧。
2.根据权利要求1所述的镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，其特征在于，所述离子刻蚀具体包括以下步骤：
将基材置于真空室中，抽真空至5×10-4mbar，升温至450℃，向真空室内通入氩气，氩气流量为45sccm，维持偏压-180V进行离子轰击得到经过离子刻蚀的基材。
3.一种根据权利要求1-2任一项所述的镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层在刀具涂层中的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述刀具为切削刀具。
5.一种切削刀具，其特征在于，所述切削刀具表面涂层为权利要求1-2任一项所述的镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层。
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