CN116377385A - 一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层及其制备方法，该多层涂层包括基体(1)表面的TiN层(2)、TiAlN层(3)、TiAlSiN层(4)和TiAlSiCrN层(5)，所述的多层涂层总厚度为2.7～3.2μm；该方法具体为：采用物理气相沉积在基体(1)表面分层沉积TiN层(2)、TiAlN层(3)、TiAlSiN层(4)与TiAlSiCrN层(5)；所述的制备工艺参数包括：氮气体积流量为160～200sccm，真空度为2.0～4.2Pa，温度为400～500℃，刻蚀偏压为‑800～‑700V，沉积偏压为‑120～‑80V。与现有技术相比，本发明提高涂层抗氧化性，延长使用寿命。

Description

一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于物理气相沉积涂层技术领域，涉及一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层及其制备方法。

背景技术

采用物理气相沉积技术所制备的TiAlSiN涂层，由于具有高硬度、耐磨等特点而被广泛用于切削刀具领域。但该涂层的抗氧化性较差，这使刀具的寿命没有达到工业上的理想要求。

专利CN104862652A公开了一种TiAlSiN超硬梯度涂层的制备方法，包括一个对工件表面进行喷砂和清洗的步骤，一个采用阴极离子镀工艺对工件镀制TiAlSiN超硬梯度涂层的步骤，包括六个阶段，第一阶段制备Ti打底涂层；第二阶段制备TiN梯度涂层，第三阶段制备TiAl梯度涂层，第四阶段制备TiAlN梯度涂层，第五阶段制备SiN梯度涂层，第六阶段制备TiSiN梯度涂层，最后对涂层表面进行抛光处理。但该专利涂层的抗氧化性不强，在高速干式切削加工时由于温度过高，对涂层的抗氧化性要求较高，故该涂层并不能满足工业加工上的要求。

专利CN113493896A公开了一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层及制备方法，涂层包括通过物理气相沉积法依次设于基底上的Ti层、TiN层、TiCN层以及TiCN/a-C层。但该专利涂层之间的热膨胀系数差值较大，残余应力大，结合力不高，容易剥落失效。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层及其制备方法，本发明结合强度高，抗氧化性较TiAlSiN涂层强，制备流程简单，涂层使用寿命得到了提高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一在于，提供一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层，该多层涂层包括基体表面的TiN层、TiAlN层、TiAlSiN层和TiAlSiCrN层，所述的多层涂层总厚度为2.7～3.2μm。

近些年来，向TiAlSiN涂层中掺杂Cr元素成为了研究重点，原因是掺杂Cr元素后的涂层具有很强的抗氧化性，因此获得性能优良的TiAlSiCrN涂层成为了关键突破技术。多层涂层的结构为TiN/TiAlN/TiAlSiN/TiAlSiCrN，由于TiN涂层本身与TiAlSiCrN涂层相比热膨胀系数相差较大，所述的涂层结构分布让相邻的涂层之间的热膨胀系数差变得更小，进而让涂层内的残余应力减小、内应力变小，使涂层具有更好的抗疲劳磨损性。

进一步地，所述的TiN层厚度为0.2～0.3μm。

进一步地，所述的TiAlN层厚度为1.5～1.7μm。

TiAlSiCrN层的内应力比TiAlN层大，TiAlSiCrN层越厚，涂层在使用过程中越容易剥落和失效。因此，设计了较厚的TiAlN层作为中间层，以提高薄膜的承载能力，降低涂层的内应力。

进一步地，所述的TiAlSiN层厚度为0.8～0.9μm。

进一步地，所述的TiAlSiCrN层厚度为0.2～0.3μm。

TiAlSiCrN层较薄的原因有以下两点：

(1)该层过厚会导致应力急剧上升，最终沉积出来的涂层结合强度较低；

(2)该层增厚会使得内部缺陷急剧上升，从而在高温下加速打底层的金属离子向外迁移在表面形成疏松的氧化物，最终导致涂层的抗氧化性下降。

本发明的技术方案之一在于，提供一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层的制备方法，该方法具体为：采用物理气相沉积在基体表面分层沉积TiN层、TiAlN层、TiAlSiN层与TiAlSiCrN层；

所述的制备工艺参数包括：氮气体积流量为160～200sccm，真空度为2.0～4.2Pa，温度为400～500℃，刻蚀偏压为-800～-700V，沉积偏压为-120～-80V，靶材分别为AlTi靶、TiSi靶、Ti靶和Cr靶。

进一步地，所述的TiN层制备工艺参数包括：Ti靶电流为180～200A，沉积时间为25～30min。

进一步地，所述的TiAlN层制备工艺参数包括：Ti靶电流为180～200A，AlTi靶电流为160～180A，沉积时间为85～90min。

进一步地，所述的TiAlSiN层制备工艺参数包括：TiSi靶电流为160～180A，AlTi靶电流为120～180A，沉积时间为45～50min。

进一步地，所述的TiAlSiCrN层制备工艺参数包括：TiSi靶电流为160～180A，AlTi靶电流为120～180A，Cr靶电流为120～180A，沉积时间为25～30min。

由于该制备涂层多用于高速干式切削领域，涂层刀具在使用过程中温度常达到1000℃甚至更高。而该涂层在800℃以上时生成的氧化物多为(Al,Cr)₂O₃，该氧化物比Al₂O₃、TiO₂、Cr₂O₃等抗氧化性能更强，极大地提升了该涂层的抗氧化性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过四种涂层的叠加，制备流程简单，厚度设计合理，涂层热膨胀系数低，涂层内应力低，涂层的结合强度得到较大提高；

(2)本发明的TiAlSiCrN层厚度较其他打底层更薄，涂层在氧化过程中更易在表面形成致密的氧化物，使涂层具有更强的抗氧化性，涂层使用寿命得到了提高。

附图说明

图1为本发明实施例中Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层的结构示意图；

图2为本发明实施例与对比例中涂层样片的氧化深度对比图。

图中标记说明：

1—基体、2—TiN层、3—TiAlN层、4—TiAlSiN层、5—TiAlSiCrN层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下述各实施例中所采用的设备如无特别说明，则表示均为本领域的常规设备；所采用的试剂如无特别说明，则表示均为市售产品或采用本领域的常规方法制备而成，以下实施例中没有做详细说明的均是采用本领域常规实验手段就能实现。

实施例：

一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层，如图1所示，包括采用物理气相沉积技术在基体1表面依次沉积TiN层2、TiAlN层3、TiAlSiN层4及TiAlSiCrN层5。其中TiN层2的厚度为0.2～0.3μm，TiAlN层3的厚度为1.5～1.7μm，TiAlSiN层4的厚度为0.8～0.9μm，TiAlSiCrN层5的厚度为0.2～0.3μm。

一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)基体1选用尺寸为25×25×4mm的304不锈钢，丙酮溶液是由4L丙酮和1L蒸馏水配置的浓度为80％的溶液。将基体1放入丙酮溶液中超声清洗15min，再通过浓度为95％的乙醇浸泡清洗，随后用吹风机吹干；

(2)通入200sccm的氩气，Ti、AlTi、TiSi以及Cr靶在120A电流下按照顺序对着挡板各自清洁8min，刻蚀偏压为-750V，去除靶材表面的杂质；

(3)TiN层2的制备：通入180sccm的氮气，真空度为3.0Pa，温度为450℃，沉积偏压为-100V，Ti靶电流为190A，沉积时间为25min，在基体1上得到0.2μm的TiN涂层2；

(4)TiAlN层3的制备：通入180sccm的氮气，真空度为3.0Pa，温度为450℃，沉积偏压为-100V，Ti靶电流为190A，AlTi靶电流为170A，沉积时间为85min，在TiN层2上得到1.5μm的TiAlN涂层3；

(5)TiAlSiN层4的制备：通入180sccm的氮气，真空度为3.0Pa，温度为450℃，沉积偏压为-100V，TiSi靶电流为170A，AlTi靶电流为150A，沉积时间为45min，在TiAlN层3上得到0.8μm的TiAlSiN涂层4；

(6)TiAlSiCrN层5的制备：通入180sccm的氮气，真空度为3.0Pa，温度为450℃，沉积偏压为-100V，TiSi靶电流为170A，AlTi靶电流为150A，Cr靶电流为150A，沉积时间为30min，在TiAlSiN层4上得到0.3μm的TiAlSiCrN涂层5。

对比例：

一种TiAlSiN多层涂层，制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于不沉积TiAlSiCrN层5。

一种涂层样片的氧化实验，具体步骤如下：

将实施例和对比例放到同一高温氧化炉中，先从室温升到400℃，升温时间为62.5min，升温速率为6℃/min左右，保温10min；随后升到800℃，升温时间为80min，升温速率为5℃/min；最后从800℃升到1000℃，升温时间为40min，升温速率为5℃/min；1000℃保温2h后开始随炉降温，降温时间为195min，降温速率为5℃/min左右，待降到室温比较两种涂层样片的氧化深度。

如图2所示，在1000℃环境下，对比例全部被氧化，氧化深度达到2.5μm，氧化部分占涂层总厚度的100％，而实施例的氧化深度仅仅为2.0μm，氧化部分占涂层总厚度的70％，较对比例氧化深度百分比减少了30％。由此可见TiAlSiCrN涂层样片表现出更好的抗氧化性。

一种涂层样片的划痕实验，具体步骤如下：

对实施例和对比例分别做划痕实验，划痕实验参数分别为：载荷增加速率60N/min，划痕速度2mm/min，载荷从5N增至125N。最终得到两种涂层各自的临界载荷(LC)，如表1所示。

表1实施例与对比例中涂层的临界载荷对比

样品	对比例	实施例
			LC/N	48	60

通过划痕实验可以得知实施例涂层的结合强度为60N，而对比例涂层的结合强度为48N，由此可知TiAlSiCrN涂层的结合强度得到较大提高。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层，其特征在于，该多层涂层包括基体(1)表面的TiN层(2)、TiAlN层(3)、TiAlSiN层(4)和TiAlSiCrN层(5)，所述的多层涂层总厚度为2.7～3.2μm。

2.根据权利要求1所述的一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层，其特征在于，所述的TiN层(2)厚度为0.2～0.3μm。

3.根据权利要求1所述的一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层，其特征在于，所述的TiAlN层(3)厚度为1.5～1.7μm。

4.根据权利要求1所述的一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层，其特征在于，所述的TiAlSiN层(4)厚度为0.8～0.9μm。

5.根据权利要求1所述的一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层，其特征在于，所述的TiAlSiCrN层(5)厚度为0.2～0.3μm。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层的制备方法，其特征在于，该方法具体为：采用物理气相沉积在基体(1)表面分层沉积TiN层(2)、TiAlN层(3)、TiAlSiN层(4)与TiAlSiCrN层(5)；

所述的制备工艺参数包括：氮气体积流量为160～200sccm，真空度为2.0～4.2Pa，温度为400～500℃，刻蚀偏压为-800～-700V，沉积偏压为-120～-80V，靶材分别为AlTi靶、TiSi靶、Ti靶和Cr靶。

7.根据权利要求6所述的一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的TiN层(2)制备工艺参数包括：Ti靶电流为180～200A，沉积时间为25～30min。

8.根据权利要求6所述的一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的TiAlN层(3)制备工艺参数包括：Ti靶电流为180～200A，AlTi靶电流为160～180A，沉积时间为85～90min。

9.根据权利要求6所述的一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的TiAlSiN层(4)制备工艺参数包括：TiSi靶电流为160～180A，AlTi靶电流为120～180A，沉积时间为45～50min。

10.根据权利要求6所述的一种Cr掺杂的TiAlSiN多层涂层的制备方法，其特征在于，所述的TiAlSiCrN层(5)制备工艺参数包括：TiSi靶电流为160～180A，AlTi靶电流为120～180A，Cr靶电流为120～180A，沉积时间为25～30min。

Images