CN116334536A - 一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法 - Google Patents
一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116334536A CN116334536A CN202310327264.7A CN202310327264A CN116334536A CN 116334536 A CN116334536 A CN 116334536A CN 202310327264 A CN202310327264 A CN 202310327264A CN 116334536 A CN116334536 A CN 116334536A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- tial
- coating
- target
- hard coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 158
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 158
- 229910010038 TiAl Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 73
- -1 transition metal nitride Chemical class 0.000 title claims abstract description 42
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 34
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 197
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 191
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims abstract description 10
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 72
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 64
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 44
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 39
- 229910004349 Ti-Al Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 229910004692 Ti—Al Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 229910004337 Ti-Ni Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 229910011209 Ti—Ni Inorganic materials 0.000 claims description 32
- KHYBPSFKEHXSLX-UHFFFAOYSA-N iminotitanium Chemical compound [Ti]=N KHYBPSFKEHXSLX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 24
- 229910018507 Al—Ni Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 21
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 15
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 10
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 8
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N alumane;titanium Chemical compound [AlH3].[Ti] UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 2
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 claims description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 2
- 229910001256 stainless steel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 3
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 abstract description 2
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 28
- 229910010037 TiAlN Inorganic materials 0.000 description 12
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 9
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 9
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 9
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 6
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 229910000997 High-speed steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 1
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 1
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0641—Nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
- C23C14/021—Cleaning or etching treatments
- C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
- C23C14/325—Electric arc evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
- C23C14/542—Controlling the film thickness or evaporation rate
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明涉及一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法，属于防护涂层技术领域。该涂层采用多弧离子镀进行双靶或多靶共沉积技术制备，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层中，各元素原子比例关系为：Al/(Ti+Al+Ni)＝0.1～0.5，Ni/(Ti+Al+Ni)＝0.05～0.4，X＝N/(N+Ti+Al+Ni)＝0.3～0.5，涂层厚度在2～30μm范围内，硬度1450Hv以上。本发明的涂层制备方法可获得Ni含量较高的Ti(Al，Ni)N单相硬质涂层，涂层兼具高韧性、高硬度、优良的抗裂纹扩展能力及抗高温氧化性能等特点，可大幅提高硬质涂层应用的可靠性。该涂层可应用于硬质合金切削刀具、不锈钢以及钛合金等材料的耐磨防护。
Description
技术领域
本发明涉及一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法，属于防护涂层技术领域。
背景技术
过渡族金属氮化物具有高硬度、优异的耐磨性、较高的化学惰性等特点，作为耐磨涂层已获得广泛的应用，包括各种高速钢、硬质合金刀具及飞机发动机叶片用于抗冲蚀等。但过渡族金属氮化物涂层脆性较大，限制了其应用的可靠性和应用范围。
采用多组元合金化改性技术可以显著提高过渡族金属氮化物涂层的硬度、耐磨性能、热稳定性、高温抗氧化性能等。例如，在授权公告号CN108977775B的中国专利中，采用阴极电弧离子镀技术在YG8硬质合金上制备了TiAlSiN硬质涂层。在授权公告号CN110484870B的中国专利中，采用阴极电弧离子镀技术在WC-8wt.％Co-4wt.％TiC硬质合金表面制备了(TiAlCrTaW)N硬质涂层。然而，已有技术对金属氮化物的韧性都没有明显的提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法，该涂层兼具高韧性、高硬度、优良的抗裂纹扩展能力及抗高温氧化性能等特点，可以大幅提高硬质涂层应用的可靠性和使用寿命。采用本发明设计的涂层制备工艺可获得Ni含量较高的Ti(Al，Ni)N单相硬质涂层，该涂层制备工艺简单、绿色环保。
本发明的技术方案如下：
一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层中，各元素原子比例关系为：Al/(Ti+Al+Ni)＝0.1～0.5，Ni/(Ti+Al+Ni)＝0.05～0.4，X＝N/(N+Ti+Al+Ni)＝0.3～0.5。
所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层厚度在2～30μm范围内，硬度1450Hv以上。
所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层为单相硬质涂层，Ni元素固溶在氮化物晶格中。
所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层采用多弧离子镀技术，通过双靶或多靶共沉积技术制备。
所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、对合金基体进行研磨和抛光，控制其表面粗糙度Ra在0.2μm以下；
步骤2、将合金基体浸在无水乙醇和丙酮的混合溶剂中进行10～15min超声清洗，去除油渍，烘干待用；
步骤3、将1个Ti-Al合金靶材或1个Ti-Al-Ni合金靶材，与1个Ti-Ni合金靶材安装于多弧离子镀设备中，两个合金靶材的靶心连线与底座垂直，Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材位于上端，Ti-Ni合金靶材位于下端，两个合金靶材的靶心间距在25～30cm范围内；
步骤4、转架安装于正对Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材、Ti-Ni合金靶材靶心连线的位置，距离靶心连线15～20cm，将合金基体悬挂于转架上Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材、Ti-Ni合金靶材靶心之间的位置，具体的挂样位置由目标涂层中所需Ni含量决定；
步骤5、将直径为12～14cm的不锈钢挡板固定在转架上，不锈钢挡板需平行于多弧离子镀设备的腔室底座；挡板固定位置由合金基体的挂样位置决定，位于合金基体下端1～1.5cm处；
步骤6、关闭多弧离子镀设备的腔室门，待腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在3.0～4.0Pa之间，开启偏压电源，设置脉冲偏压为-800～-1000V，占空比为30～40％，使用氩气离子清洗合金基体5～10分钟，关闭偏压电源；
步骤7、保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比在5:1～15:1范围内，维持腔室内气压至1.5～3.0Pa，开启偏压电源，开启Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材弧电源；使用高能粒子束轰击合金基体3～5min，去除合金基体表面污物与氧化皮，具体工艺参数为：弧电流70～80A，电压18～20V，设置脉冲偏压-900～-1000V，占空比5～10％；
步骤8、调节脉冲偏压至-100V～-400V，占空比10～20％，开启Ti-Ni合金靶材弧电源，沉积TiAl(Ni)NX涂层，具体工艺参数为：Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材弧电流65～80A，电压18～20V；Ti-Ni合金靶材弧电流80～120A，电压18～20V，通过改变沉积时间控制涂层厚度；涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转；
步骤9、保持腔室抽真空至气压≤7.0×10-3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出合金基体，完成TiAl(Ni)NX硬质涂层制备。
所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，步骤1中，合金基体包括硬质合金材料、钛合金材料、钛铝合金材料或不锈钢合金材料。
所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，步骤3中，Ti-Al合金靶材的成分为：Al含量在30at.％～50at.％，其余为Ti，合金纯度≥99.9wt.％。
所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，步骤3中，Ti-Al-Ni合金靶材的成分为：Al含量在30at.％～50at.％，Ni含量在5at.％～10at.％，其余为Ti，合金纯度≥99.9wt.％。
所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，步骤3中，Ti-Ni合金靶材的成分为：Ni含量在50at.％，其余为Ti，合金纯度≥99.9wt.％。
本发明的设计思想是：
本发明以TiAlN陶瓷涂层为基础，采用多弧离子镀技术，通过双靶或多靶共沉积技术制备高Ni含量Ti(Al，Ni)N单相硬质涂层，该涂层兼具高韧性、高硬度、优良的抗裂纹扩展能力及抗高温氧化性能等特点，该涂层体系适用于硬质合金切削刀具、不锈钢以及钛合金等材料的耐磨防护。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：
1、采用本发明中的制备工艺，可获得Ni含量较高的Ti(Al，Ni)Nx单相硬质涂层。
2、本发明制备的过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层具有高韧性、高硬度、优良的抗裂纹扩展能力及抗高温氧化性能等特点。
3、本发明中的TiAl(Ni)NX硬质涂层，采用多弧离子镀技术一次制备，制备工艺简单易实施，制备过程中无有害物质的使用和释放，绿色环保。
附图说明
图1为本发明使用的多弧离子镀设备的工作原理示意图。图中标号：1第一靶材，2第二靶材，3脉冲偏压电源，4底座，5转架，6挡板，7加热装置，8进气口，9抽真空口，10第一靶材弧电源，11第二靶材弧电源，12腔室，13顶座，14样品。
图2为实施例1中TiAl(Ni)NX涂层的SEM表面形貌(a)和截面形貌(b)。
图3为实施例1中TiAl(Ni)NX涂层的XRD图谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(Degree)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。
图4为实施例1中TiAl(Ni)NX涂层的SEM截面压痕裂纹形貌。
图5为实施例2中TiAl(Ni)NX涂层的SEM表面形貌(a)和截面形貌(b)。
图6为实施例2中TiAl(Ni)NX涂层的XRD图谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(Degree)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。
图7为实施例2中TiAl(Ni)NX涂层的SEM截面压痕裂纹形貌。
图8为实施例3中TiAl(Ni)NX涂层的SEM表面形貌(a)和截面形貌(b)。
图9为实施例3中TiAl(Ni)NX涂层的XRD图谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(Degree)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。
图10为比较例1中TiAl(Ni)NX涂层的SEM表面形貌(a)和截面形貌(b)。
图11为比较例2中TiAl(Ni)NX涂层的SEM表面形貌(a)和截面形貌(b)。
图12为比较例3中TiAlN涂层的SEM表面形貌(a)和截面形貌(b)。
图13为比较例3中TiAlN涂层的XRD图谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(Degree)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。
图14为比较例3中TiAlN涂层的SEM截面压痕裂纹形貌。
具体实施方式
如图1所示，本发明使用的多弧离子镀设备主要包括第一靶材1、第二靶材2、脉冲偏压电源3、底座4、转架5、挡板6、加热装置7、进气口8、抽真空口9、第一靶材弧电源10、第二靶材弧电源11、腔室12、顶座13，具体结构如下：
腔室12内沿中心轴线方向自上至下依次设置顶座13、加热装置7、底座4、脉冲偏压电源3，水平的顶座13、底座4上相对面之间安装可自转的转架5，样品14在转架5上下排布，相邻样品14之间通过水平的挡板6隔开，挡板6的位置自上而下分别为S1、S2、S3……Sn(n≥1)；
腔室12的一侧内部上下设置与样品14对应的第一靶材1、第二靶材2，第一靶材1安装于第一靶材弧电源10上，第二靶材2安装于第二靶材弧电源11上；腔室12的另一侧上下分别开设进气口8、抽真空口9，工作或反应气体从进气口8进入腔室12，真空维持系统通过抽真空口9对腔室12进行抽真空。
为了进一步理解本发明，以下结合实施例及附图对本发明进行描述，但实施例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
以Ti6Al4V合金为基体材料，采用多弧离子镀技术制备TiAl(Ni)NX硬质涂层。
(1)合金靶材制备：采用真空熔炼方法制备的Ti-Al合金靶材和Ti-Ni合金靶材作为阴极靶。Ti-Al合金靶材成分为Ti-30Al(at.％)，合金纯度≥99.9wt.％；Ti-Ni合金靶材成分为Ti-50Ni(at.％)，合金纯度≥99.9wt.％。
(2)合金靶材安装：将1个Ti-30Al(at.％)合金靶材和1个Ti-50Ni(at.％)合金靶材安装于多弧离子镀设备中，二者靶心连线与底座垂直，Ti-30Al(at.％)合金靶材位于上端，Ti-50Ni(at.％)合金靶材位于下端，双靶靶心间距30cm，靶材具体安装细节如图1所示。
(3)基体样品件前处理：将Ti6Al4V合金基体(尺寸为15mm×20mm×2.5mm)用SiC砂纸研磨并抛光处理后，控制其表面粗糙度Ra为0.05μm；放入酒精和丙酮按体积比1：1混合的溶液中超声清洗10min，吹干后待用。
(4)挂样位置选取与转架组装：转架安装于正对Ti-Al合金靶材和Ti-Ni合金靶材靶心连线的位置，距离靶心连线17cm。Ti6Al4V合金基体悬挂于腔室中的转架上，位置正对Ti-Al合金靶材靶心。将直径为13cm的不锈钢挡板固定于转架上，挡板平行于腔室底座且处于基体样品件下端1.5cm处。具体挂样位置选取与转架组装细节如图1所示，本实施例中挡板固定位置处于图1中S1位置。
(5)涂层涂镀：用多弧离子镀设备沉积TiAl(Ni)NX硬质涂层。涂镀步骤如下：
①腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在4.0Pa左右，开启偏压电源，设置脉冲偏压为-800V，占空比为40％，使用氩气离子清洗基体样品件5min，关闭偏压电源；
②保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比为7:1，维持腔室内气压至2.0Pa，开启偏压电源，开启Ti-Al合金靶材弧电源。具体工艺参数为：弧电流70A，电压19V，设置脉冲偏压-900V，占空比10％。使用高能粒子束轰击基体样品件3min，去除基体样品件表面污物与氧化皮。
③调节脉冲偏压至-200V，占空比20％，开启Ti-Ni合金靶材弧电源，沉积TiAl(Ni)NX涂层。具体工艺参数为：Ti-Al合金靶材弧电流70A，电压19V；Ti-Ni合金靶材弧电流100A，电压20V。沉积时间为200min，涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转。
④保持腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出Ti6Al4V合金样品件，完成TiAl(Ni)NX硬质涂层制备。
(6)涂层结构表征和性能测试
如图2(a)-(b)所示，本实施例在Ti6Al4V合金基体表面沉积的TiAl(Ni)NX涂层完整致密，与合金基体结合良好，总厚度约为20.2μm。EDS检测发现涂层中各元素的原子百分比含量依次为：Ti：41.45％，Al：14.10％，Ni：4.53％，N：39.92％。如图3所示，XRD图谱中只检测到TiN的衍射峰，未检测到晶体Ni或者含Ni相的衍射峰，这表明Ni元素均固溶于Ti(Al)N涂层晶格内，说明本发明制备的TiAl(Ni)NX涂层为单相硬质涂层。经检测，本实施例所得TiAl(Ni)NX涂层的硬度值为1957.91Hv。本发明采用涂层截面外加载荷压痕法分析涂层的韧性，使用维氏显微硬度计施加载荷，外加载荷为100gf，保压时间为15s；然后利用扫描电子显微镜(SEM，型号：Philips FEI-InspectF)观察压痕周围裂纹形貌，评价涂层韧性。如图4所示，从韧性检测结果可以看出，压痕边缘裂纹长度分别约为4.2μm和7.3μm。
实施例2
以Ti6Al4V合金为基体材料，采用多弧离子镀技术制备TiAl(Ni)NX硬质涂层。
(1)本实施例中合金靶材制备、安装以及基体样品件前处理等步骤过程与实施例1中一致。
(2)挂样位置选取与转架组装：转架安装于正对Ti-Al合金靶材和Ti-Ni合金靶材靶心连线的位置，距离靶心连线17cm。Ti6Al4V合金基体悬挂于腔室中的转架上，位置处于Ti-Al合金靶材斜下方且与Ti-Al合金靶材靶心所在水平面的竖直距离约为8cm。将直径为13cm的不锈钢挡板固定于转架上，挡板平行于腔室底座且处于基体样品件下端1.5cm处。具体挂样位置选取与转架组装细节如图1所示，本实施例中挡板固定位置处于图1中S2位置。
(3)涂层涂镀：用多弧离子镀设备沉积TiAl(Ni)NX硬质涂层。涂镀步骤如下：
①腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在4.0Pa左右，开启偏压电源，设置脉冲偏压为-800V，占空比为40％，使用氩气离子清洗样品件5min，关闭偏压电源；
②保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比为7:1，维持腔室内气压至2.0Pa，开启偏压电源，开启Ti-Al合金靶材弧电源。具体工艺参数为：弧电流70A，电压19V，设置脉冲偏压-900V，占空比10％。使用高能粒子束轰击基体样品件3min，去除基体样品件表面污物与氧化皮。
③调节脉冲偏压至-200V，占空比20％，开启Ti-Ni合金靶材弧电源，沉积TiAlNiTi涂层。具体工艺参数为：Ti-Al合金靶材弧电流70A，电压19V；Ti-Ni合金靶材弧电流100A，电压20V。沉积时间为220min，涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转。
④保持腔室抽真空至气压为6.0×10-3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出Ti6Al4V合金样品件，完成TiAl(Ni)NX硬质涂层制备。
(4)涂层结构表征和性能测试
如图5(a)-(b)所示，本实施例在Ti6Al4V合金基体表面沉积的TiAl(Ni)NX涂层完整致密，与合金基体结合良好，总厚度约为23.5μm。EDS检测发现涂层中各元素的原子百分比含量依次为：Ti：40.87％，Al：12.72％，Ni：9.35％，N：37.06％。如图6所示，XRD图谱只检测到TiN的衍射峰，未检测到晶体Ni或者含Ni相的衍射峰，这表明Ni元素均固溶于Ti(Al)N涂层晶格内，说明本发明制备的TiAl(Ni)NX涂层为单相硬质涂层。经检测，本实施例所得TiAl(Ni)NX涂层的硬度值为1628.81Hv。如图7所示，本实施例中韧性检测方法与实施例1中一致，压痕边缘出现长度为0.5～1.7μm的微裂纹，通过与实施例1中Ti41.45Al14.10Ni4.53N39.92涂层压痕长度比较，说明随Ni含量的增加，TiAl(Ni)NX涂层抗裂纹扩展能力进一步增强，涂层韧性得到明显提升。
实施例3
以Ti6Al4V合金为基体材料，采用多弧离子镀方法制备TiAl(Ni)NX硬质涂层。
(1)合金靶材制备：采用真空熔炼方法制备的Ti-Al-Ni合金靶材和Ti-Ni合金靶材作为阴极靶。Ti-Al-Ni合金靶材成分为Ti-30Al-10Ni(at.％)，合金纯度≥99.9wt.％；Ti-Ni合金靶材成分为Ti-50Ni(at.％)，合金纯度≥99.9wt.％。
(2)合金靶材安装：将1个Ti-30Al-10Ni(at.％)合金靶材和1个Ti-50Ni(at.％)合金靶材安装于多弧离子镀设备中，二者靶心连线与底座垂直，Ti-30Al-10Ni(at.％)合金靶材位于上端，Ti-50Ni(at.％)合金靶材位于下端，双靶靶心间距30cm，靶材具体安装细节如图1所示。
(3)基体样品件前处理过程与实施例1中一致。
(4)挂样位置选取与转架组装：转架安装于正对Ti-Al合金靶材和Ti-Ni合金靶材靶心连线的位置，距离靶心连线17cm。Ti6Al4V合金基体悬挂于腔室中的转架上，位置处于Ti-Al合金靶材斜下方且与Ti-Al合金靶材靶心所在水平面的竖直距离约为15cm。将直径为13cm的不锈钢挡板固定于转架上，挡板平行于腔室底座且处于合金样品件下端1cm处。具体挂样位置选取与组装细节如图1所示，本实施例中挡板固定位置处于图1中S3位置。
(5)涂层涂镀：用多弧离子镀设备沉积TiAl(Ni)NX硬质涂层。涂镀步骤如下：
①腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在4.0Pa左右，开启偏压电源，设置脉冲偏压为-800V，占空比为40％，使用氩气离子清洗基体样品件5min，关闭偏压电源；
②保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比为10:1，维持腔室内气压至3.0Pa，开启偏压电源，开启Ti-Al-Ni合金靶材弧电源。具体工艺参数为：弧电流80A，电压19V，设置脉冲偏压-900V，占空比10％。使用高能粒子束轰击基体样品件3min，去除基体样品件表面污物与氧化皮。
③调节脉冲偏压至-100V，占空比20％，开启Ti-Ni合金靶材弧电源，沉积TiAlNiTi涂层。具体工艺参数为：Ti-Al-Ni合金靶材弧电流80A，电压19V；Ti-Ni合金靶材弧电流100A，电压20V。沉积时间为50min，涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转。
④保持腔室抽真空至气压为5.0×10-3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出Ti6Al4V合金样品件，完成TiAl(Ni)NX硬质涂层制备。
(4)涂层结构表征和性能测试
如图8(a)-(b)所示，本实施例在Ti6Al4V合金基体表面沉积的TiAl(Ni)NX涂层完整，与基材结合良好，总厚度约为4.9μm。EDS检测发现涂层中各元素的原子百分比含量依次为：Ti：39.24％，Al：8.04％，Ni：20.05％，N：32.67％。如图9所示，XRD图谱中检测到Ti6Al4V合金基体的衍射峰和TiN的衍射峰，未检测到晶体Ni或者含Ni相的衍射峰，这表明Ni元素均固溶于Ti(Al)N涂层晶格内，说明本发明制备的TiAl(Ni)NX涂层为单相硬质涂层。经检测，本实施例所得TiAl(Ni)NX涂层的硬度值为1475.95Hv。
对比例1
以Ti6Al4V合金为基体材料，采用多弧离子镀方法制备TiAl(Ni)NX硬质涂层。
(1)合金靶材制备：采用真空熔炼方法制备的Ti-30Al-15Ni(at.％)合金靶材作为阴极靶，合金纯度≥99.9wt.％。
(2)合金靶材安装：将上述Ti-30Al-15Ni(at.％)合金靶材安装于多弧离子镀设备中。
(3)基体样品件前处理过程与实施例1中一致。
(4)涂层涂镀：用多弧离子镀设备沉积TiAl(Ni)NX硬质涂层。涂镀步骤如下：
①Ti6Al4V合金基体样品件悬挂于腔室中的转架上，位置正对上述Ti-Al-Ni合金靶材，关闭室门，待腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在4.0Pa之间，开启偏压电源，设置脉冲偏压为-800V，占空比为40％，使用氩气离子清洗基体样品件5min，关闭偏压电源。
②保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比为10:1，维持腔室内气压至3.0Pa，开启偏压电源，开启Ti-Al-Ni合金靶材弧电源。具体工艺参数为：弧电流85A，电压19V，设置脉冲偏压-900V，占空比10％。使用靶材粒子轰击基体样品件3min，去除基体样品件表面污物与氧化皮。
③调节脉冲偏压至-150V，占空比20％，沉积TiAlN涂层。具体工艺参数为：Ti-Al-Ni合金靶材弧电流85A，电压19V，沉积时间为40min。涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转。
④保持腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出Ti6Al4V合金样品件，完成TiAl(Ni)NX涂层制备。
如图10(a)-(b)所示，在Ti6Al4V合金基体表面沉积的TiAl(Ni)NX涂层完整致密，与基材结合良好，总厚度约为5.9μm。EDS检测发现涂层中各元素的原子百分比含量依次为：Ti：43.49％，Al：13.79％，Ni：3.19％，N：39.53％。可见，该涂层中Ni含量明显低于靶材中的Ni含量，这可能与合金靶材离子镀膜过程中不同合金元素的蒸发率和溅射率有差异有关。所以，使用单一Ti-Al-Ni合金靶材，采用离子镀技术很难制备出Ni含量较高的单相TiAl(Ni)NX涂层。对比实施例1～实施例3中制备的TiAl(Ni)NX涂层成分可知，采用本发明中的制备工艺，可得到Ni含量较高的Ti(Al，Ni)N单相硬质涂层。
对比例2
以Ti6Al4V合金为基体材料，采用多弧离子镀方法制备TiAl(Ni)NX硬质涂层。
(1)合金靶材制备：采用真空熔炼方法制备的Ti-Al合金靶材和Ti-Ni合金靶材作为阴极靶。Ti-Al合金靶材成分为Ti-50Al(at.％)，合金纯度≥99.9wt.％；Ti-Ni合金靶材成分为Ti-50Ni(at.％)，合金纯度≥99.9wt.％。
(2)合金靶材安装：将1个Ti-50Al(at.％)合金靶材和1个Ti-50Ni(at.％)合金靶材安装于多弧离子镀设备中，二者靶心连线与底座垂直，Ti-50Al(at.％)合金靶材位于上端，Ti-50Ni(at.％)合金靶材位于下端，双靶靶心间距30cm，靶材具体安装细节如图1所示。
(3)基体样品件前处理过程与实施例1中一致。
(4)涂层涂镀：用多弧离子镀设备沉积TiAl(Ni)NX硬质涂层。涂镀步骤如下：
①转架安装于正对Ti-Al合金靶材和Ti-Ni合金靶材靶心连线的位置，距离靶心连线17cm。Ti6Al4V合金基体样品件悬挂位置与实施例2中一致，只是合金样品件下方未安装挡板。将转架放入离子镀真空腔室内，关闭室门，待腔室温度加热至200℃且腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在4.0Pa左右，开启偏压电源，设置脉冲偏压为-800V，占空比为40％，使用氩气离子清洗样品件5min，关闭偏压电源；
②保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比为7:1，维持腔室内气压至2.0Pa，开启偏压电源，开启Ti-Al合金靶材弧电源。具体工艺参数为：弧电流70A，电压19V，设置脉冲偏压-900V，占空比10％。使用高能粒子束轰击样品件3min，去除样品件表面污物与氧化皮。
③调节脉冲偏压至-200V，占空比20％，开启Ti-Ni合金靶材弧电源，沉积TiAl(Ni)NX涂层。具体工艺参数为：Ti-Al合金靶材弧电流70A，电压19V；Ti-Ni合金靶材弧电流80A，电压19V。沉积时间为50min，涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转。
④保持腔室抽真空至气压为6.0×10-3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出Ti6Al4V合金样品件，完成TiAl(Ni)NX涂层制备。
(4)涂层结构表征和性能测试
如图11(a)-(b)所示，在Ti6Al4V合金基体表面沉积的TiAl(Ni)NX涂层总厚度约为5.2μm，涂层中存在大量形状不规则第二相金属颗粒，见图11(b)箭头指向区域。EDS检测发现涂层中灰色区域各元素的原子百分比含量依次为：Ti：31.79％，Al：19.78％，Ni：12.90％，N：35.53％。涂层中箭头指向白色区域各元素的原子百分比含量依次为：Ti：52.79％，Al：1.66％，Ni：42.65％，N：2.90％。
对比例3
以Ti6Al4V合金为基体材料，采用多弧离子镀方法制备TiAlN硬质涂层。
(1)合金靶材制备：采用真空熔炼方法制备的Ti-30Al(at.％)合金靶材作为阴极靶，合金纯度≥99.9wt.％。
(2)合金靶材安装：将上述Ti-30Al(at.％)合金靶材安装于多弧离子镀设备中。
(3)基体样品件前处理过程与实施例1中一致。
(4)涂层涂镀：用多弧离子镀设备沉积TiAlN硬质涂层。涂镀步骤如下：
①Ti6Al4V合金基体样品件悬挂于腔室中的转架上，位置正对上述Ti-Al合金靶材，关闭室门，待腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在4.0Pa之间，开启偏压电源，设置脉冲偏压为-800V，占空比为40％，使用氩气离子清洗样品件5min，关闭偏压电源。
②保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比为7:1，维持腔室内气压至2.0Pa，开启偏压电源，开启Ti-Al合金靶材弧电源。具体工艺参数为：弧电流70A，电压19V，设置脉冲偏压-900V，占空比10％。使用靶材粒子轰击基体样品件3min，去除基体样品件表面污物与氧化皮。
③调节脉冲偏压至-100V，占空比20％，沉积TiAlN涂层。具体工艺参数为：Ti-Al合金靶材弧电流70A，电压19V，沉积时间为180min。涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转。
④保持腔室抽真空至气压为5.0×10-3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出Ti6Al4V合金样品件，完成TiAlN硬质涂层制备。
(4)涂层结构表征和性能测试
如图12(a)-(b)所示，在Ti6Al4V合金基体表面沉积的TiAlN涂层总厚度约为18.1μm。EDS检测涂层中各元素的原子百分比含量依次为：Ti：31.31％，Al：16.13％，N：52.56％。如图13所示，XRD图谱中检测到TiN的衍射峰，这表明Al固溶于TiN晶格中，制备的TiAlN涂层为单相硬质涂层。经检测，本对比例TiAlN涂层的硬度值为2194.03Hv。如图14所示，采用与实施例1同样的韧性检测方法，从韧性检测结果可以看出，在同样载荷和保压时间下，压痕边缘裂纹长度约为14.5μm，明显长于实施例1和实施例2中TiAl(Ni)NX涂层中的裂纹长度，说明Ni改性后涂层的韧性及抗裂纹扩展能力得到明显改善。
实施例、比较例结果表明，采用本发明可获得Ni含量较高的Ti(Al，Ni)N单相硬质涂层，该涂层兼具高韧性、高硬度、优良的抗裂纹扩展能力及抗高温氧化性能等特点，可以应用于硬质合金切削刀具、不锈钢以及钛合金等材料的耐磨防护。
Claims (9)
1.一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层，其特征在于，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层中，各元素原子比例关系为：Al/(Ti+Al+Ni)＝0.1～0.5，Ni/(Ti+Al+Ni)＝0.05～0.4，X＝N/(N+Ti+Al+Ni)＝0.3～0.5。
2.如权利要求1所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层，其特征在于，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层厚度在2～30μm范围内，硬度1450Hv以上。
3.如权利要求1所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层，其特征在于，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层为单相硬质涂层，Ni元素固溶在氮化物晶格中。
4.一种权利要求1至3之一所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，其特征在于，过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层采用多弧离子镀技术，通过双靶或多靶共沉积技术制备。
5.如权利要求4所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、对合金基体进行研磨和抛光，控制其表面粗糙度Ra在0.2μm以下；
步骤2、将合金基体浸在无水乙醇和丙酮的混合溶剂中进行10～15min超声清洗，去除油渍，烘干待用；
步骤3、将1个Ti-Al合金靶材或1个Ti-Al-Ni合金靶材，与1个Ti-Ni合金靶材安装于多弧离子镀设备中，两个合金靶材的靶心连线与底座垂直，Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材位于上端，Ti-Ni合金靶材位于下端，两个合金靶材的靶心间距在25～30cm范围内；
步骤4、转架安装于正对Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材、Ti-Ni合金靶材靶心连线的位置，距离靶心连线15～20cm，将合金基体悬挂于转架上Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材、Ti-Ni合金靶材靶心之间的位置，具体的挂样位置由目标涂层中所需Ni含量决定；
步骤5、将直径为12～14cm的不锈钢挡板固定在转架上，不锈钢挡板需平行于多弧离子镀设备的腔室底座；挡板固定位置由合金基体的挂样位置决定，位于合金基体下端1～1.5cm处；
步骤6、关闭多弧离子镀设备的腔室门，待腔室升温至200℃且腔室抽真空至气压为7.0×10-3Pa后，开启转架自转，通入氩气，气压维持在3.0～4.0Pa之间，开启偏压电源，设置脉冲偏压为-800～-1000V，占空比为30～40％，使用氩气离子清洗合金基体5～10分钟，关闭偏压电源；
步骤7、保持转架自转，打开氮气流量阀，调节氮气和氩气流量表，控制氮气和氩气流量比在5:1～15:1范围内，维持腔室内气压至1.5～3.0Pa，开启偏压电源，开启Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材弧电源；使用高能粒子束轰击合金基体3～5min，去除合金基体表面污物与氧化皮，具体工艺参数为：弧电流70～80A，电压18～20V，设置脉冲偏压-900～-1000V，占空比5～10％；
步骤8、调节脉冲偏压至-100V～-400V，占空比10～20％，开启Ti-Ni合金靶材弧电源，沉积TiAl(Ni)NX涂层，具体工艺参数为：Ti-Al合金靶材或Ti-Al-Ni合金靶材弧电流65～80A，电压18～20V；Ti-Ni合金靶材弧电流80～120A，电压18～20V，通过改变沉积时间控制涂层厚度；涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压电源，关闭氮气阀和氩气阀，关闭转架自转；
步骤9、保持腔室抽真空至气压≤7.0×10-3Pa，待腔室温度冷却至100℃以下，取出合金基体，完成TiAl(Ni)NX硬质涂层制备。
6.如权利要求5所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中，合金基体包括硬质合金材料、钛合金材料、钛铝合金材料或不锈钢合金材料。
7.如权利要求5所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，Ti-Al合金靶材的成分为：Al含量在30at.％～50at.％，其余为Ti，合金纯度≥99.9wt.％。
8.如权利要求5所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，Ti-Al-Ni合金靶材的成分为：Al含量在30at.％～50at.％，Ni含量在5at.％～10at.％，其余为Ti，合金纯度≥99.9wt.％。
9.如权利要求5所述的高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，Ti-Ni合金靶材的成分为：Ni含量在50at.％，其余为Ti，合金纯度≥99.9wt.％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310327264.7A CN116334536A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310327264.7A CN116334536A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116334536A true CN116334536A (zh) | 2023-06-27 |
Family
ID=86885464
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310327264.7A Pending CN116334536A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116334536A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116770227A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-19 | 东北大学 | 高强韧低内应力厚TiNi＆TiAl(Ni)NX/TiAlN复合硬质涂层及制备方法 |
| CN116770227B (zh) * | 2023-06-25 | 2024-06-28 | 东北大学 | 高强韧低内应力厚TiNi＆TiAl(Ni)NX/TiAlN复合硬质涂层及制备方法 |
Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07180043A (ja) * | 1993-12-22 | 1995-07-18 | Nissin Electric Co Ltd | マルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置 |
| EP1816232A1 (de) * | 2006-01-31 | 2007-08-08 | COTEC GmbH | Verfahren und Vorrichtung zum allseitigen Beschichten von Gegenständen |
| CN101126151A (zh) * | 2006-08-16 | 2008-02-20 | 王海斗 | Fe/Mo纳米多层膜及其制备方法 |
| CN101358329A (zh) * | 2008-01-09 | 2009-02-04 | 中国科学院金属研究所 | 提高电弧离子镀沉积薄膜质量的装置 |
| US20090065348A1 (en) * | 2006-03-22 | 2009-03-12 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel Ltd., | Method of arc ion plating and target for use therein |
| CN101490304A (zh) * | 2006-07-07 | 2009-07-22 | 佳能安内华股份有限公司 | 等离子体成膜装置与膜制造方法 |
| CN101871094A (zh) * | 2010-06-04 | 2010-10-27 | 广东工业大学 | 一种在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的方法及其比例调节器 |
| CN104372303A (zh) * | 2014-11-10 | 2015-02-25 | 仪征双环设备制造有限公司 | 一种多弧离子镀设备的电弧靶的位置结构 |
| CN207581909U (zh) * | 2017-11-03 | 2018-07-06 | 东莞市宝沛金属制品有限公司 | 一种铝板加工用多弧型离子镀膜机 |
| CN108611590A (zh) * | 2016-12-13 | 2018-10-02 | 核工业西南物理研究院 | 一种Ti合金工件防咬死的方法 |
| CN108866491A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-11-23 | 山东大学 | TiAlN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 |
| CN208917297U (zh) * | 2018-10-25 | 2019-05-31 | 金山莱宝(厦门)科技有限公司 | 一种可调式数控真空镀膜机 |
| CN110004415A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-07-12 | 河南科技学院 | 高韧性和高硬度的厚Ti／TiAlN多层涂层及其制备方法 |
| CN210974853U (zh) * | 2019-08-27 | 2020-07-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种配置热丝的电弧离子镀膜装置 |
| CN112159965A (zh) * | 2020-09-03 | 2021-01-01 | 同济大学 | 基于线型磁控溅射靶枪的大尺寸平面基底镀膜方法及装置 |
| CN213739646U (zh) * | 2020-08-31 | 2021-07-20 | 肇庆宏旺金属实业有限公司 | 一种复合镀钛装置 |
| CN113174570A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-07-27 | 广东工业大学 | 一种高韧性TiAlNiN涂层及其制备方法和应用 |
| CN113652651A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-11-16 | 东莞市华升真空镀膜科技有限公司 | TiAlN/TiSiNiN复合涂层、硬质涂层及其制备方法与应用 |
| WO2022033026A1 (zh) * | 2020-08-13 | 2022-02-17 | 北京航空航天大学合肥创新研究院 | 一种超薄多层膜的集成式加工设备及应用方法 |
-
2023
- 2023-03-29 CN CN202310327264.7A patent/CN116334536A/zh active Pending
Patent Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07180043A (ja) * | 1993-12-22 | 1995-07-18 | Nissin Electric Co Ltd | マルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置 |
| EP1816232A1 (de) * | 2006-01-31 | 2007-08-08 | COTEC GmbH | Verfahren und Vorrichtung zum allseitigen Beschichten von Gegenständen |
| US20090065348A1 (en) * | 2006-03-22 | 2009-03-12 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel Ltd., | Method of arc ion plating and target for use therein |
| CN101490304A (zh) * | 2006-07-07 | 2009-07-22 | 佳能安内华股份有限公司 | 等离子体成膜装置与膜制造方法 |
| CN101126151A (zh) * | 2006-08-16 | 2008-02-20 | 王海斗 | Fe/Mo纳米多层膜及其制备方法 |
| CN101358329A (zh) * | 2008-01-09 | 2009-02-04 | 中国科学院金属研究所 | 提高电弧离子镀沉积薄膜质量的装置 |
| CN101871094A (zh) * | 2010-06-04 | 2010-10-27 | 广东工业大学 | 一种在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的方法及其比例调节器 |
| CN104372303A (zh) * | 2014-11-10 | 2015-02-25 | 仪征双环设备制造有限公司 | 一种多弧离子镀设备的电弧靶的位置结构 |
| CN108611590A (zh) * | 2016-12-13 | 2018-10-02 | 核工业西南物理研究院 | 一种Ti合金工件防咬死的方法 |
| CN207581909U (zh) * | 2017-11-03 | 2018-07-06 | 东莞市宝沛金属制品有限公司 | 一种铝板加工用多弧型离子镀膜机 |
| CN108866491A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-11-23 | 山东大学 | TiAlN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 |
| CN208917297U (zh) * | 2018-10-25 | 2019-05-31 | 金山莱宝(厦门)科技有限公司 | 一种可调式数控真空镀膜机 |
| CN110004415A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-07-12 | 河南科技学院 | 高韧性和高硬度的厚Ti／TiAlN多层涂层及其制备方法 |
| CN210974853U (zh) * | 2019-08-27 | 2020-07-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种配置热丝的电弧离子镀膜装置 |
| WO2022033026A1 (zh) * | 2020-08-13 | 2022-02-17 | 北京航空航天大学合肥创新研究院 | 一种超薄多层膜的集成式加工设备及应用方法 |
| CN213739646U (zh) * | 2020-08-31 | 2021-07-20 | 肇庆宏旺金属实业有限公司 | 一种复合镀钛装置 |
| CN112159965A (zh) * | 2020-09-03 | 2021-01-01 | 同济大学 | 基于线型磁控溅射靶枪的大尺寸平面基底镀膜方法及装置 |
| CN113174570A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-07-27 | 广东工业大学 | 一种高韧性TiAlNiN涂层及其制备方法和应用 |
| CN113652651A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-11-16 | 东莞市华升真空镀膜科技有限公司 | TiAlN/TiSiNiN复合涂层、硬质涂层及其制备方法与应用 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| D S BELOV等: ""Surface hardening of steel 20H13 for friction pair with carbon plastic by ion-plasma Ti-Al-N, Ti-Al-Ni-N coatings deposition"", 《15TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON FILMS AND COATINGS (ICFC 2021)》, vol. 1954, 30 December 2021 (2021-12-30), pages 1 * |
| 戴达煌等: "《功能薄膜及其沉积制备技术》", 30 January 2013, 冶金工业出版社, pages: 168 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116770227A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-19 | 东北大学 | 高强韧低内应力厚TiNi＆TiAl(Ni)NX/TiAlN复合硬质涂层及制备方法 |
| CN116770227B (zh) * | 2023-06-25 | 2024-06-28 | 东北大学 | 高强韧低内应力厚TiNi＆TiAl(Ni)NX/TiAlN复合硬质涂层及制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8173278B2 (en) | Coated body | |
| Jehn et al. | Morphology and properties of sputtered (Ti, Al) N layers on high speed steel substrates as a function of deposition temperature and sputtering atmosphere | |
| CN107130222B (zh) | 高功率脉冲磁控溅射CrAlSiN纳米复合涂层及其制备方法 | |
| CN105887012B (zh) | 一种Zr-B-N纳米复合涂层制备工艺 | |
| CN112981321B (zh) | 一种单相结构(CrZrVTiAl)N高熵陶瓷涂层及其制备方法 | |
| CN102057073B (zh) | 硬质被膜层及其形成方法 | |
| Yu et al. | Optimization of hybrid PVD process of TiAlN coatings by Taguchi method | |
| KR20100017702A (ko) | Ｐｖｄ 코팅을 만들기 위한 방법 | |
| CN1986891A (zh) | 高强度镍－铂－铝－铪粘结层 | |
| Cai et al. | Influence of negative bias voltage on microstructure and property of Al-Ti-N films deposited by multi-arc ion plating | |
| CN106835037A (zh) | 一种高硬度、高弹性模量的多组元氮化物涂层及其制备方法 | |
| Yoon et al. | Comparison for mechanical properties between TiN and TiAlN coating layers by AIP technique | |
| CN103212729A (zh) | 一种具有CrAlTiN超晶格涂层的数控刀具及其制备方法 | |
| CN108977775A (zh) | 一种TiAlSiN涂层刀具制备工艺 | |
| CN111647851B (zh) | 兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法 | |
| CN105463391B (zh) | 一种纳米晶ZrB2超硬涂层及制备方法 | |
| CA2600097A1 (en) | Physical vapour deposition process for depositing erosion resistant coatings on a substrate | |
| CN106893991B (zh) | 一种Zr-B-O-N纳米复合涂层制备工艺 | |
| CN1962947A (zh) | 一种金属材料防护方法之一 | |
| Bergmann et al. | Influence of composition and process parameters on the internal stress of the carbides of tungsten, chromium, and titanium | |
| CN116334536A (zh) | 一种高韧性过渡族金属氮化物TiAl(Ni)NX硬质涂层及其制备方法 | |
| Mubarak et al. | The Effect of nitrogen gas flow rate on the properties of TiN-coated high-speed steel (HSS) using cathodic arc evaporation physical vapor deposition (PVD) technique | |
| CN110484883A (zh) | 一种硬质Zr-B-O纳米复合薄膜的合成方法及应用 | |
| Khechba et al. | Study of structural and mechanical properties of tungsten carbides coatings | |
| CN111647859B (zh) | 一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |