CN115125495A - 一种TiAlSiCeN复合涂层、刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种TiAlSiCeN复合涂层、沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具及其制备方法。所述TiAlSiCeN复合涂层包括：在所述复合涂层厚度方向上依次层叠设置的TiAlN结合层、TiAlSiN中间层、TiAlSiCeN顶层；本发明的TiAlSiCeN复合涂层具有结合强度高、硬度高、韧性好，抗氧化性能优异等特点；本发明的TiAlSiCeN复合涂层可在高速干式切削刀具中作为涂层应用。
Description
技术领域
本发明属于刀具涂层技术领域，具体涉及一种TiAlSiCeN复合涂层、沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具及其制备方法。
背景技术
随着材料科学技术的蓬勃发展，难加工材料在各领域的使用量急剧增加，难加工材料常具有高硬度、低热导率等特性，在高速切削过程中切削力大、切削区域温度高，同时出于对环境和健康的不断重视，倡导采用减少或者不使用冷却液、润滑液的干式切削，刀具的工作条件更加恶劣，刀具磨损快，导致加工精度下降，服役寿命缩短。表面涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一，表面涂层作为热屏障和化学屏障，可以有效避免切削过程中刀具与被加工材料间的化学反应或者元素扩散，同时又具备高硬度、高耐磨性以及低摩擦系数等优点，从而减少刀具磨损，提升服役寿命和切削效率。
具有面心立方结构的TiAlN涂层，硬度高，耐磨性和抗氧化性好，被视为硬质涂层发展中的里程碑，被广泛用于切削刀具涂层。但是，TiAlN涂层的使用温度一般不超过800℃，用于高速干式切削时涂层易缓慢氧化，刀具切削性能下降，甚至涂层剥落失效，因此开发适用于高速干式切削的新型涂层迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术中存在的缺点，本发明的目的在于提供一种TiAlSiCeN复合涂层及沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具及其制备方法。本发明的TiAlSiCeN复合涂层具有结合强度高、硬度高、韧性好，抗氧化性能优异等特点；本发明的TiAlSiCeN复合涂层可在高速干式切削刀具中作为涂层应用。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种TiAlSiCeN复合涂层，采用如下的技术方案：
一种TiAlSiCeN复合涂层，包括：在所述复合涂层厚度方向上依次层叠设置的TiAlN结合层、TiAlSiN中间层、TiAlSiCeN顶层；所述TiAlN结合层中，按照原子百分比计，Ti：9at％～15at％(比如9.5at％、10at％、11at％、12at％、13at％、14at％、14.5at％)，Al：20at％～30at％(比如20.5at％、21at％、23at％、25at％、27at％、29at％、29.5at％)，N：55at％～65at％(比如55.5at％、56at％、58at％、60at％、62at％、64at％、64.5at％)；所述TiAlSiN中间层中，按照原子百分比计，Ti：7at％～13at％(比如7.5at％、8at％、9at％、10at％、11at％、12at％、12.5at％)，Al：18at％～28at％(比如19at％、20at％、22at％、24at％、25at％、26at％、27at％)，Si：2at％～5at％(比如2.2at％、2.5at％、3at％、3.5at％、4at％、4.5at％、4.8at％)，N：55at％～65at％(比如55.5at％、56at％、58at％、60at％、61at％、64at％、64.5at％)；所述TiAlSiCeN顶层中，按照原子百分比计，Ti：7at％～13at％(比如7.5at％、8at％、9at％、10at％、11at％、12at％、12.5at％)，Al：17at％～27at％(比如18at％、20at％、21at％、22at％、24at％、25at％、26at％)，Si：0.8at％～3at％(比如0.9at％、1at％、1.5at％、1.8at％、2at％、2.5at％、2.8at％)，Ce：0.4at％～2.0at％(比如0.5at％、0.6at％、0.8at％、1.0at％、1.2at％、1.5at％、1.8at％)，N：55at％～65at％(比如55.5at％、56at％、58at％、60at％、61at％、64at％、64.5at％)。
本发明中TiAlN结合层与基体润湿性好，与基体结合力强，同时具备一定硬度，可对TiAlSiN中间层和TiAlSiCeN顶层起到支撑作用；TiAlSiN中间层和TiAlSiCeN顶层中的硅元素可形成非晶相阻碍位错运动，提高涂层强度，细化膜层晶粒，减少膜层结构中的孔隙缺陷，提高膜层的致密性，同时也可阻碍氧元素的扩散，提高涂层抗氧化性；若TiAlSiN中间层中Si含量小于2at％，则增强效果不明显，若Si含量大于5at％，则导致涂层韧性变差；若TiAlSiCeN顶层中Si含量小于0.8at％，则增强效果不明显，若Si含量大于3at％，则导致涂层韧性变差。
TiAlSiCeN顶层中的铈原子体积相对较大，在面心立方结构的TiAlN膜层中可起到固溶强化的作用，提高膜层硬度，并且高温时铈元素可以形成致密且附着良好的氧化层，可以有效减缓涂层的进一步氧化；若TiAlSiCeN顶层中Ce含量小于0.4at％，则强化效果不明显，若Ce含量大于2at％，则涂层中大颗粒增多，液滴增多，涂层致密性会变差。此外，TiAlSiN中间层可缓解高温时TiAlN结合层和TiAlSiCeN顶层之间膨胀系数的差异，减小残余应力，降低微小裂纹产生和扩大的风险，各涂层之间相互协同作用，使得结合强度高，提升了整体膜层的硬度和韧性。
在上述TiAlSiCeN复合涂层中，作为一种优选实施方式，所述TiAlN结合层的厚度为0.2～1μm(比如0.25μm、0.3μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.9μm、0.95μm)；优选地，所述TiAlSiN中间层的厚度为0.8～1.5μm(比如0.85μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm、1.2μm、1.4μm、1.45μm)；优选地，所述TiAlSiCeN顶层的厚度为1～2μm(比如1.1μm、1.2μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.8μm、1.9μm)。
本发明中若TiAlN结合层的厚度小于0.2μm，则其与基体之间以及与TiAlSiN中间层之间的结合强度变差，进而使得复合涂层的硬度和韧性下降；若TiAlN结合层的厚度大于1μm，则涂层韧性下降，容易剥落，进而寿命下降；若TiAlSiN中间层的厚度小于0.8μm，则其与TiAlN结合层之间以及与TiAlSiCeN顶层之间的结合强度变差，进而使得复合涂层的硬度和韧性下降；若TiAlSiN中间层的厚度大于1.5μm，则涂层韧性下降，容易剥落，进而寿命下降；若TiAlSiCeN顶层的厚度小于1μm，则其与TiAlSiN中间层的结合强度变差，进而使得复合涂层的硬度和韧性下降，若TiAlSiCeN顶层的厚度大于2μm，则涂层韧性下降，容易剥落，进而寿命下降。
本发明第二方面提供一种沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具，包括基体以及沉积在所述基体表面的上述TiAlSiCeN复合涂层；优选地，所述基体的材质为高速钢、硬质合金中的一种或两种。
本发明第三方面提供一种上述沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具的制备方法，包括：
(1)基体清洗：将基体表面依次进行抛光处理、超声清洗、烘干处理；
(2)氩离子刻蚀清洗：将所述基体于真空度为1×10-2～5×10-2Pa(比如2×10-2、3×10-2、4×10-2)条件下进行加热处理，然后于真空度为1×10-3～5×10-3Pa(比如2×10-3、3×10-3、4×10-3)条件下通入氩气，之后于氩气气氛中，点燃刻蚀靶，进行刻蚀清洗；
(3)沉积TiAlN结合层：关闭氩气和刻蚀靶，通入氮气，于氮气气氛中，点燃TiAl靶，在基体表面沉积TiAlN结合层；
(4)沉积TiAlSiN中间层：保持步骤(3)的沉积气氛不变，关闭TiAl靶，点燃TiAlSi靶，沉积TiAlSiN中间层；
(5)沉积TiAlSiCeN顶层：保持步骤(3)的沉积气氛不变，关闭TiAlSi靶，点燃TiAlSiCe靶，沉积TiAlSiCeN顶层；待沉积结束后，关闭TiAlSiCe靶和偏压，关闭加热，关闭氮气。
本发明步骤(2)中在真空度为1×10-2～5×10-2Pa条件下进行加热处理的目的为加热基体使其达到一定温度，有利于膜层离子在基体表面的迁移和扩散，使膜层厚度均匀，在真空条件下进行加热保温，有助于基体或靶材等表面吸附的气体杂质充分进行脱除，同时在一定真空度下进行镀膜，防止膜层被氧化；之后于氩气气氛中，点燃刻蚀靶(Ti靶)的目的在于腔室中设置有阳极棒，可以吸引Ti靶(由于Ti靶前设置有挡板，因此Ti离子会被挡板挡住，不会沉积到基体上)释放的电子，电子会把Ar气电离为Ar离子，然后使得Ar离子刻蚀清洗基体。在基体表面沉积复合涂层前用氩离子刻蚀基体，氩离子流密度大，清洗效果好，并且氩离子质量轻能量较低，不会使基体过热，对基体表面损伤小，基体表面没有大颗粒，提高TiAlN结合层和基体的结合力。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤(1)中，在抛光处理时使用的金刚石抛光液中，金刚石的粒度为0.5μm或1μm；优选地，所述超声清洗为先在无水乙醇中进行超声清洗，后在去离子水中进行超声清洗，所述超声清洗的时间为20～30min(比如22min、25min、27min、29min)；优选地，所述烘干处理为在100～120℃(比如105℃、110℃、115℃、118℃)下烘干1～1.5h(比如1.1h、1.2h、1.3h、1.4h)。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤(2)、(3)、(4)、(5)均采用电弧离子镀膜机，在所述电弧离子镀膜机的腔室内进行。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤(2)中，加热处理的温度为450～500℃(比如460℃、470℃、480℃、490℃)，保温时间为40min～60min(比如42min、44min、46min、48min)；优选地，氩气流量为150～200sccm(比如160sccm、170sccm、180sccm、190sccm)，控制腔室气压为0.3～1Pa(比如0.4Pa、0.5Pa、0.8Pa、0.9Pa)，刻蚀靶电流为90～130A(比如100A、110A、120A、125A)，工件支架偏压为-120～-180V(比如-130V、-150V、-160V、-170V)，刻蚀清洗时间为80min～120min(比如85min、90min、100min、110min)；优选地，所述刻蚀靶为Ti靶。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤(3)中，氮气流量为800～950sccm(比如820sccm、880sccm、900sccm、930sccm)，腔室压力为2～5Pa(比如2.5Pa、3Pa、3.5Pa、4Pa)，TiAl靶电流为100～150A(比如110A、120A、130A、140A)，工件支架偏压为-80～-120V(比如-90V、-100V、-110V、-115V)，沉积时间为30min～60min(比如35min、40min、45min、50min)。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤(4)中，TiAlSi靶电流为100～150A(比如110A、120A、130A、140A)，工件支架偏压为-100～-140V(比如-110V、-120V、-130V、-135V)，沉积时间为50min～90min(比如60min、70min、80min、88min)。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤(5)中，TiAlSiCe靶电流为100～150A(比如110A、120A、130A、140A)，工件支架偏压为-120～-180V(比如-130V、-150V、-160V、-170V)，沉积时间为60min～120min(比如70min、90min、100min、110min)。
本发明第四方面提供一种上述沉积TiAlSiCeN复合涂层在刀具中的应用，所述刀具为高速干式切削刀具。
在高速干式切削时刀具的刀头承受的连续冲击大(方向主要是切向平行于涂层)，刀头温度高，要求涂层既要有高硬度，还要韧性好，耐磨性能和抗氧化性能好，才能提高刀具使用寿命；因为本发明的复合涂层具有结合强度高、硬度高、韧性好，抗氧化性能优异等特点使其能够用于刀具高速干式切削刀具的防护。
本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
(1)本发明复合涂层通过电弧离子镀制备得到，TiAlN结合层与基体润湿性好，与基体结合力强，同时具备一定硬度，可对中间层和顶层涂层起到支撑作用；TiAlSiN中间层可缓解高温时TiAlN结合层和TiAlSiCeN顶层之间膨胀系数的差异，减小残余应力，降低微小裂纹产生和扩大的风险；同时各涂层之间协同作用，结合强度高，整体膜层的硬度高，韧性好，抗氧化性能出色，可有效提高高速干式切削时刀具的使用寿命。
(2)TiAlSiN中间层和TiAlSiCeN顶层中的硅元素可形成非晶相阻碍位错运动，提高涂层强度，细化膜层晶粒，减少膜层结构中的孔隙缺陷，提高膜层的致密性，同时也可阻碍氧元素的扩散，提高涂层抗氧化性；TiAlSiCeN顶层中的铈原子体积相对较大，在面心立方结构的TiAlN膜层中可起到固溶强化的作用，提高膜层硬度，并且高温时铈元素可以形成致密且附着良好的氧化层，可以有效减缓涂层的进一步氧化。
附图说明
图1为本发明的TiAlSiCeN复合涂层的结构示意图；其中，1-基体，2-TiAlN结合层，3-TiAlSiN中间层，4-TiAlSiCeN顶层；
图2为本发明实施例1、实施例2沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具和对比例1中沉积TiAlN涂层、对比例2沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具的刀尖磨损长度对比图。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，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。
本发明的具体实施方式提供一种沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具，刀具包括基体1以及沉积在基体1表面的TiAlSiCeN复合涂层，参见图1，TiAlSiCeN复合涂层包括沿厚度方向上依次层叠设置的TiAlN结合层2、TiAlSiN中间层3、TiAlSiCeN顶层4；TiAlN结合层2中，按照原子百分比计，Ti：9at％-15at％，Al：20at％-30at％，N：55at％-65at％；TiAlSiN中间层3中，按照原子百分比计，Ti：7at％-13at％，Al：18at％-28at％，Si：2at％-5at％，N：55at％-65at％；TiAlSiCeN顶层4中，按照原子百分比计，Ti：7at％-13at％，Al：17at％-27at％，Si：0.8at％-3at％，Ce：0.4at％-2.0at％，N：55at％-65at％。
一种沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具的制备方法，包括：
(1)基体1清洗：将基体1表面用抛光布抛光(配合使用0.5μm或1μm金刚石抛光液)，然后将抛光后的基体1分别放入无水乙醇和去离子水中超声波中清洗20～30min，之后取出在烘箱中100～120℃烘干1～1.5h；
(2)氩离子刻蚀清洗：将所述基体1放入电弧离子镀膜机的腔室内，先抽真空至1×10-2Pa～5×10-2Pa再开启加热，将腔室温度升至450～500℃，腔室温度到达设定温度后保温40min～1h，之后抽真空至1×10-3～5×10-3Pa，通入Ar气，Ar气流量150～200sccm，控制腔室气压为0.3～1Pa，点燃刻蚀靶(Ti靶)，刻蚀靶电流为90～130A，工件支架偏压为-120～-180V，刻蚀清洗时间为80min～2h；
(3)沉积TiAlN结合层2：关闭Ar气和刻蚀靶，通入N2气，N2气流量800～950sccm，控制腔室气压为2～5Pa，点燃TiAl靶，沉积TiAlN结合层2，TiAl靶电流为100～150A，工件支架偏压为-80～-120V，沉积时间为30min～1h；
(4)沉积TiAlSiN中间层3：保持步骤3的沉积气氛不变，关闭TiAl靶，点燃TiAlSi靶，沉积TiAlSiN中间层3，TiAlSi靶电流为100～150A，工件支架偏压为-100～-140V，沉积时间为50min～90min；
(5)沉积TiAlSiCeN顶层4：保持步骤3的沉积气氛不变，关闭TiAlSi靶，点燃TiAlSiCe靶，沉积TiAlSiCeN顶层4，TiAlSiCe靶电流为100～150A，工件支架偏压-120～-180V，沉积时间60min～120min；沉积结束，关闭TiAlSiCe靶和偏压，关闭加热，关闭N2气，待腔室温度降至室温时取出刀具。
以下实施例和对比例中所述的原料均可从公开商业途径获得，以下实施例和对比例中所述基体为硬质合金。
实施例1一种沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具的制备方法，包括：
(1)基体清洗：将基体表面用抛光布抛光(配合使用1μm金刚石抛光液)，然后将抛光后的基体分别放入无水乙醇和去离子水中超声波清洗25min，之后取出在烘箱中110℃烘干1h；
(2)氩离子刻蚀清洗：将所述基体放入真空镀膜机腔室内，先抽真空至5×10-2Pa再开启加热，将腔室温度升至480℃，腔室温度到达设定温度后保温40min，抽真空至5×10- 3Pa，通入Ar气，Ar气流量180sccm，控制腔室气压为0.4Pa，点燃刻蚀靶(Ti靶)，刻蚀靶电流100A，工件转架偏压-150V，刻蚀清洗时间100min；
(3)沉积TiAlN结合层：关闭Ar气和刻蚀靶，通入N2气，N2流量900sccm，控制腔室气压为3.5Pa，点燃TiAl(原子百分比含量为：Ti：33at％，Al：67at％)靶，TiAl靶电流135A，工件转架偏压-90V，沉积时间45min；
(4)沉积TiAlSiN中间层：保持步骤(3)的沉积气氛不变，关闭TiAl靶，点燃TiAlSi(Ti：30at％，Al：60at％，Si：10at％)靶，沉积TiAlSiN中间层，TiAlSi靶电流135A，工件转架偏压-120V，沉积时间70min；
(5)沉积TiAlSiCeN顶层：保持步骤(3)的沉积气氛不变，关闭TiAlSi靶，点燃TiAlSiCe(Ti：33at％，Al：61at％，Si：4at％，Ce：2at％)靶，沉积TiAlSiCeN顶层，TiAlSiCe靶电流135A，工件转架偏压-150V，沉积时间90min。
(6)沉积结束，关闭TiAlSiCe靶和偏压，关闭加热，关闭N2气，待腔室温度降至室温时取出刀具，沉积得到的TiAlN结合层的厚度为0.8μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：11.2at％，Al：25.2at％，N：63.6at％；TiAlSiN中间层的厚度为1.3μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：10.3at％，Al：23.2at％，Si：2.5at％，N：64.0at％；TiAlSiCeN顶层的厚度为1.6μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：12.3at％，Al：22.4at％，Si：1.4at％，Ce：0.8at％，N：63.1at％。(原子含量测定方法为EDS能谱分析)实施例2一种沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具的制备方法，包括：
(1)基体清洗：将基体表面用抛光布抛光(配合使用1μm金刚石抛光液)，然后将抛光后的基体分别放入无水乙醇和去离子水中超声波清洗25min，之后取出在烘箱中110℃烘干1h；
(2)氩离子刻蚀清洗：将所述基体放入真空镀膜机腔室内，先抽真空至5×10-2Pa再开启加热，将腔室温度升至480℃，腔室温度到达设定温度后保温40min，抽真空至5×10- 3Pa，通入Ar气，Ar气流量180sccm，控制腔室气压为0.4Pa，点燃刻蚀靶(Ti靶)，刻蚀靶电流100A，工件转架偏压-150V，刻蚀清洗时间100min；
(3)沉积TiAlN结合层：关闭Ar气和刻蚀靶，通入N2气，N2流量900sccm，控制腔室气压为3.5Pa，点燃TiAl(原子百分比含量为：Ti：33at％，Al：67at％)靶，TiAl靶电流135A，工件转架偏压-90V，沉积时间45min；
(4)沉积TiAlSiN中间层：保持步骤3的沉积气氛不变，关闭TiAl靶，点燃TiAlSi(Ti：30at％，Al：60at％，Si：10at％)靶，沉积TiAlSiN中间层，TiAlSi靶电流135A，工件转架偏压-120V，沉积时间70min；
(5)沉积TiAlSiCeN顶层：保持步骤3的沉积气氛不变，关闭TiAlSi靶，点燃TiAlSiCe(Ti：32at％，Al：59at％，Si：6at％，Ce：3at％)靶，沉积TiAlSiCeN顶层，TiAlSiCe靶电流135A，工件转架偏压-150V，沉积时间90min。
(6)沉积结束，关闭TiAlSiCe靶和偏压，关闭加热，关闭N2气，待腔室温度降至室温时取出刀具，沉积得到的TiAlN结合层的厚度为0.8μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：11.3at％，Al：25.0at％，N：63.7at％；TiAlSiN中间层的厚度为1.2μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：10.5at％，Al：23.3at％，Si：2.4at％，N：63.8at％；TiAlSiCeN顶层的厚度为1.7μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：11.5at％，Al：21.9at％，Si：2.1at％，Ce：1.2at％，N：63.3at％。(原子含量测定方法为EDS能谱分析)对比例1一种沉积TiAlN涂层的刀具的制备方法，包括：
(1)基体清洗：将基体表面用抛光布抛光(配合使用1μm金刚石抛光液)，然后将抛光后的基体分别放入无水乙醇和去离子水中超声波清洗25min，之后取出在烘箱中110℃烘干1h；
(2)氩离子刻蚀清洗：将所述基体放入真空镀膜机腔室内，先抽真空至5×10-2Pa再开启加热，将腔室温度升至480℃，腔室温度到达设定温度后保温40min，抽真空至5×10- 3Pa，通入Ar气，Ar气流量180sccm，控制腔室气压为0.4Pa，点燃刻蚀靶(Ti靶)，刻蚀靶电流100A，工件转架偏压-150V，刻蚀清洗时间100min；
(3)沉积TiAlN涂层：关闭Ar气和刻蚀靶，通入N2气，N2气流量900sccm，控制腔室气压为3.5Pa，点燃TiAl(原子百分比含量为：Ti：33at％，Al：67at％)靶，TiAl靶电流135A，工件转架偏压-90V，沉积时间40min，然后调整工件转架偏压为-120V，沉积时间75min，最后调整工件转架偏压-150V，沉积时间95min。
(4)沉积结束，关闭TiAl靶和偏压，关闭加热，关闭N2气，待腔室温度降至室温时取出刀具。
沉积得到的TiAlN结合层的厚度为3.7μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：11.7at％，Al：24.9at％，N：63.4at％。
对比例2一种沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具的制备方法，包括：
(1)基体清洗：将基体表面用抛光布抛光(配合使用1μm金刚石抛光液)，然后将抛光后的基体分别放入无水乙醇和去离子水中超声波清洗25min，之后取出在烘箱中110℃烘干1h；
(2)氩离子刻蚀清洗：将所述基体放入真空镀膜机腔室内，先抽真空至5×10-2Pa再开启加热，将腔室温度升至480℃，腔室温度到达设定温度后保温40min，抽真空至5×10- 3Pa，通入Ar气，Ar气流量180sccm，控制腔室气压为0.4Pa，点燃刻蚀靶(Ti靶)，刻蚀靶电流100A，工件转架偏压-150V，刻蚀清洗时间100min；
(3)沉积TiAlN结合层：关闭Ar气和刻蚀靶，通入N2气，N2气流量900sccm，控制腔室气压为3.5Pa，点燃TiAl(原子百分比含量为：Ti：33at％，Al：67at％)靶，TiAl靶电流135A，工件转架偏压-90V，沉积时间45min；
(4)沉积TiAlSiCeN顶层：保持步骤3的沉积气氛不变，关闭TiAl靶，点燃TiAlSiCe(Ti：33at％，Al：61at％，Si：4at％，Ce：2at％)靶，沉积TiAlSiCeN顶层，TiAlSiCe靶电流135A，工件转架偏压-150V，沉积时间90min。
(5)沉积结束，关闭TiAlSiCe靶和偏压，关闭加热，关闭N2气，待腔室温度降至室温时取出刀具，沉积得到的TiAlN结合层的厚度为0.8μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：11.1at％，Al：26.0at％，N：62.9at％；TiAlSiCeN顶层的厚度为1.5μm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Ti：12.1at％，Al：22.1at％，Si：1.8at％，Ce：1.0at％，N：63.0at％。
性能检测
通过纳米压痕仪检测各实施例和对比例中涂层的硬度和弹性模量，通过划痕法测试涂层结合力(距离3mm，最大载荷150N)，其结果参见表1，
| 硬度H(GPa) | 弹性模量E(GPa) | H/E | 结合力(N) | |
| 实施例1 | 34.8±1.3 | 371.5±11.8 | 0.094±0.006 | 133 |
| 实施例2 | 35.0±1.2 | 382.3±11.5 | 0.092±0.006 | 134 |
| 对比例1 | 28.3±1.1 | 405.3±12.1 | 0.070±0.004 | 112 |
| 对比例2 | 30.2±1.5 | 402.2±11.3 | 0.075±0.006 | 108 |
从上表可以看出，与对比例1相比，实施例1和实施例2复合涂层的硬度大幅提高，但是弹性模量降低，硬度与弹性模量的比值可在一定程度上表征涂层材料的韧性，其比值越大，涂层材料的韧性越好，实施例1和实施例2复合涂层的H/E值高于对比例1的涂层，表明本发明所得到的TiAlSiCeN复合涂层在硬度提高的同时，韧性也得到了改善。对比例2的涂层未设置TiAlSiN中间层，与实施例1和实施例2复合涂层相比，对比例2的涂层硬度减小，韧性和结合力下降，表明本发明所述的TiAlSiCeN复合涂层及设置的TiAlSiN中间层可起到改善膜层综合性能的作用。
膜层结合力对比：
通过划痕法测试膜层结合力(距离3mm，最大载荷150N)，实施例1结合力为133N，对比例1结合力为112N，表明本发明所述的TiAlSiCeN复合涂层结合强度高于常规TiAlN涂层(其结果参见表1)。
刀具寿命对比：
分别在硬质合金刀具上沉积上述实施例1、实施例2、对比例1和对比例2的涂层，干式车削加工316L不锈钢棒，切削速度200m/min，进给量0.3mm/r，切削深度1.5mm，切削时间30min，观察对比刀尖磨损长度，具体结果参见图2；与沉积了对比例1涂层的刀具相比，沉积了实施例1和实施例2涂层的刀尖磨损长度小，表明本发明所述的TiAlSiCeN复合涂层可有效提高刀具使用寿命，用于高速干式切削场景时比常规TiAlN涂层更有优势；与沉积了对比例2涂层的刀具相比，沉积了实施例1和实施例2涂层的刀尖磨损长度小，表明TiAlSiN中间层可有效缓解高温时TiAlN结合层和TiAlSiCeN顶层之间膨胀系数的差异，减小残余应力，降低微小裂纹产生和扩大的风险，从而提高干式车削时刀具的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种TiAlSiCeN复合涂层，其特征在于，包括：在所述复合涂层厚度方向上依次层叠设置的TiAlN结合层、TiAlSiN中间层、TiAlSiCeN顶层；所述TiAlN结合层中，按照原子百分比计，Ti：9at％～15at％，Al：20at％～30at％，N：55at％～65at％；所述TiAlSiN中间层中，按照原子百分比计，Ti：7at％～13at％，Al：18at％～28at％，Si：2at％～5at％，N：55at％～65at％；所述TiAlSiCeN顶层中，按照原子百分比计，Ti：7at％～13at％，Al：17at％～27at％，Si：0.8at％～3at％，Ce：0.4at％～2.0at％，N：55at％～65at％。
2.根据权利要求1所述的TiAlSiCeN复合涂层，其特征在于，所述TiAlN结合层的厚度为0.2～1μm；优选地，所述TiAlSiN中间层的厚度为0.8～1.5μm；优选地，所述TiAlSiCeN顶层的厚度为1～2μm。
3.一种沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具，其特征在于，包括基体以及沉积在所述基体表面的如权利要求1或2所述的TiAlSiCeN复合涂层；优选地，所述基体的材质为高速钢、硬质合金中的一种或两种。
4.一种如权利要求3所述的沉积TiAlSiCeN复合涂层的刀具的制备方法，其特征在于，包括：
(1)基体清洗：将基体表面依次进行抛光处理、超声清洗、烘干处理；
(2)氩离子刻蚀清洗：将所述基体于真空度为1×10-2～5×10-2Pa条件下进行加热处理，然后于真空度为1×10-3～5×10-3Pa条件下通入氩气，之后于氩气气氛中，点燃刻蚀靶，进行刻蚀清洗；
(3)沉积TiAlN结合层：关闭氩气和刻蚀靶，通入氮气，于氮气气氛中，点燃TiAl靶，在基体表面沉积TiAlN结合层；
(4)沉积TiAlSiN中间层：保持步骤(3)的沉积气氛不变，关闭TiAl靶，点燃TiAlSi靶，沉积TiAlSiN中间层；
(5)沉积TiAlSiCeN顶层：保持步骤(3)的沉积气氛不变，关闭TiAlSi靶，点燃TiAlSiCe靶，沉积TiAlSiCeN顶层；待沉积结束后，关闭TiAlSiCe靶和偏压，关闭加热，关闭氮气。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在抛光处理时使用的金刚石抛光液中，金刚石的粒度为0.5μm或1μm；优选地，所述超声清洗为先在无水乙醇中进行超声清洗，后在去离子水中进行超声清洗，所述超声清洗的时间为20～30min；优选地，所述烘干处理为在100～120℃下烘干1～1.5h。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)、(3)、(4)、(5)均采用电弧离子镀膜机，在所述电弧离子镀膜机的腔室内进行。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热处理的温度为450～500℃，保温时间为40min～60min；优选地，氩气流量为150～200sccm，控制腔室气压为0.3～1Pa，刻蚀靶电流为90～130A，工件支架偏压为-120～-180V，刻蚀清洗时间为80min～120min；优选地，所述刻蚀靶为Ti靶。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，氮气流量为800～950sccm，腔室压力为2～5Pa，TiAl靶电流为100～150A，工件支架偏压为-80～-120V，沉积时间为30min～60min。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，TiAlSi靶电流为100～150A，工件支架偏压为-100～-140V，沉积时间为50min～90min；优选地，所述步骤(5)中，TiAlSiCe靶电流为100～150A，工件支架偏压为-120～-180V，沉积时间为60min～120min。
10.一种如权利要求1或2所述的TiAlSiCeN复合涂层在刀具中的应用，所述刀具为高速干式切削刀具。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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