一種含Ce-Y的A1-Ti-N多元複合塗層及其製備方法
2023-06-04 10:43:16
專利名稱：一種含Ce-Y的A1-Ti-N多元複合塗層及其製備方法
技術領域：
本發明屬於超硬材料技術領域，具體涉及一種含Ce-Y的Al- Ti-N多元複合塗層及其製備 方法。
背景技術：
在金屬切削刀具表面採用物理氣相沉積的方法製備一層硬質塗層，可以大大提高刀具的 使用壽命，已經成為刀具製造不可缺少的工序。隨著現代機械加工工業朝著高精度、高速切 削、乾式切削技術以及降低成本等方向的發展，人們對塗層刀具提出了越來越高的要求。不 僅要求刀具塗層具有硬度高、摩擦係數小等基本性能，而且要有較強的高溫抗氧化性能。通
常使用的氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)和碳氮化鈦(TiCN)塗層等已經不能滿足需求。目前，電弧 離子鍍沉積的TiAlN塗層具有高的硬度、高耐磨性能、工件和塗層之間良好的結合能力而得 到廣泛的應用，抗氧化溫度可達到80(TC左右，但在高速切削和乾式切削等應用領域仍不能
兩足需要。
另外，由於電弧離子鍍自身的特點，在沉積塗層的過程中存在"大顆粒"汙染的問題。所 謂"大顆粒"，就是來自於電弧陰極弧斑在靶材表面滾動燃燒時不斷產生的中性粒子團簇(或 者成為中性粒子流)，這些中性粒子團簇與等離子體一道噴發出來，飛落到正在沉積生長的塗 層表面而造成塗層表面的汙染。過多含量的"大顆粒"會嚴重降低塗層的性能。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，降低塗層中"大顆粒"的數量和尺寸，提高塗 層的抗剝落性和抗氧化溫度，同時成膜速率增加，在相同沉積時間內塗層更厚，而提供一種
含Ce-Y的Al- Ti-N多元複合塗層及其製備方法。
實現上述發明目的，本發明採用的技術方案 一種含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層，包 括Ti-N、 Al-Ti-N塗層，在Ti-N、 Al-Ti-N塗層中至少有一層沉積有Ce-Y;
至少有一層沉積有Ce-Y的Ti-N、 Al- Ti-N塗層覆蓋在工件上呈交替狀，也就是一層Ti-N， 接著是一層A1-Ti-N交錯覆蓋在工件上，如此重複進行；
工件上多元複合塗層厚度為2 8pm;
形成多元複合塗層所採用靶材為Ti和Ti-Al，且靶材中Ce-Y重量百分比為0.5-3%;
所述Ti-Al靶中原子比為1: 2或1: 3;
一種含Ce-Y的Al- Ti-N多元複合塗層製備方法，按以下步驟進行
A、 將工件放入濃度為10%的乙醇或丙酮溶液中超聲波清洗10 20min後，乾燥；
B、 將上述處理後的工件放入真空室內的轉盤上，關上真空室門，開啟設備總開關和 旋轉機構的開關，使冷卻系統開始工作，轉盤轉動；
C、 開啟真空系統，對真空室進行抽真空，真空室內壓力達到6.0xl(^Pa;
D、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-900 -1100V，開啟供氣系統通向真空室
的輸氣管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0~2.0Pa，進行Ar離子 清洗10~20min;
E、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-800 -1000V，開啟供氣系統通向真空室 的輸氣管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0~5.0xl(r2Pa，開啟鈦 耙在工件上沉積鈦塗層，電弧電流為40 60A，沉積時間為4 10min;
F、 打開金屬蒸發源的電源，含Ce-Y重量百分比為0.5-3%的Ti靶和原子比為1: 2 或l: 3的Ti-Al靶蒸發並電離，並向真空室內輸送N2氣，使真空室內壓力為0.1 5.0xl.0Pa， 進行含Ce-Y的TiN塗層和Al-Ti-N塗層沉積，電弧電流為40~60A，負偏壓為-150 -400V， 沉積時間為30~100 min;
G、 關閉負偏壓、金屬蒸發源的電源和供氣系統的電磁閥，當真空室內的溫度低於IO(TC 時，向真空室內通入空氣，打開真空室門，取出工件，得到含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層， 最後等待抽真空系統完全冷卻後關閉電源和水源。
一種含Ce-Y的Al- Ti-N多元複合塗層製備方法，更具體步驟是
A、 將工件放入濃度為10%的丙酮溶液中超聲波清洗15min後，用烘箱烘乾；
B、 將上述處理後的工件放入真空室內的轉盤上，關上真空室門，開啟設備總開關和 旋轉機構的開關，使冷卻系統開始工作，轉盤轉動；
C、 開啟真空系統，對真空室進行抽真空，真空室內壓力達到6.0xl(^Pa;
D、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-900V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣 管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為l.OPa，進行Ar離子清洗10min;
E、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-800V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣 管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0 5.0xl0—2Pa，開啟鈦靶在工 件上沉積鈦塗層，電弧電流為40A，沉積時間為6min;
F、 打開金屬蒸發源的電源，將含Ce-Y重量百分比為3。/。的Ti靶和原子比為1: 2的 Ti-Al靶蒸發並電離，並向真空室內輸送N2氣，使真空室內壓力為0.1 5.0xl.0Pa，進行含Ce-Y 的TiN塗層和Al-Ti-N塗層沉積，電弧電流為60A，負偏壓為-400V，沉積時間為30min;
G、 關閉負偏壓、金屬蒸發源的電源和供氣系統的電磁閥，當真空室內的溫度低於IOO'C 時，向真空室內通入空氣，打開真空室門，取出工件，最後等待抽真空系統完全冷卻後關閉 電源和水源。
由於Ce-Y和0親和力較大，在薄膜表面或界面處優先形成結構緻密的氧化物阻礙0的 向內擴散，從而降低Al-Ti-N系薄膜的氧化速度；同時，Ce和Y固溶在八1203中，提高了氧 化膜的粘附性，有利於降低氧化膜的生長應力，從而提高了塗層的抗剝落性和抗氧化溫度的 能力，抗氧化溫度提高到8 5 (TC。 Ce-Y稀土元素的加入提高了靶材的冶金質量，提高了塗 層的緻密性，從圖1和圖2的對比中可直觀看出降低了塗層中"大顆粒"的數量和尺寸，明顯 的提高了塗層的顯微硬度和與工件的結合力，顯微硬度達到HVa52500以上，塗層與工件之 間結合力大於60N。稀土Ce和Y有一定的催鍍效果，在相同時間內塗層沉積更厚，使成膜 速率增加，提高了生產效率。總之，Ce-Y的加入大大提高了工件(刀具、模具等工件)的硬
度、耐磨和高溫抗氧化性能，使用壽命顯著提高，使之能夠適應高精度、高速切削、乾式切
削等高難度加工領域。
圖1為本發明塗層放大1000倍電鏡照片。
圖2為未加入Ce-Y的Al-Ti-N塗層放大1000倍電鏡照片。
具體實施例方式
使用Al-Ti-N塗層體系，並在其中加入Ce-Y元素製備出Al-Ti-Ce-Y-N塗層，達到具有更 抗氧化能力和減少塗層中"大顆粒"含量的效果。本發明提出的多元複合塗層，是在刀具或摸 具工件表面上首先沉積一過渡金屬鈦塗層，然後依次沉積有n層含Ce-Y的TiN塗層和Al-Ti-N 塗層，上述結構中，多元複合塗層的總厚度一般為2~8nm，最佳的厚度為3 5nm。
本發明中採用的主要設備是公知的LD系列多弧離子鍍膜機。該設備包括真空室、金屬 蒸發源、抽真空系統、供氣系統、旋轉機構(包括電機和由電機驅動的轉盤)和冷卻系統、 控制系統等。 實施實例1:
A、 將工件放入濃度為10。/。的丙酮溶液中超聲波清洗15min後，用烘箱烘乾；
B、 將上述處理後的工件放入真空室內的轉盤上，關上真空室門，開啟設備總開關和旋 轉機構的開關，使冷卻系統開始工作，轉盤轉動；
C、 開啟真空系統，對真空室進行抽真空，真空室內壓力達到6.0xlO—Spa;
D、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-900V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣管 路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為l.OPa，進行Ar離子清洗10min;
E、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-800V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣管 路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0 5.0xl(T2Pa，開啟鈦靶在工件 上沉積鈦塗層，電弧電流為40A，沉積時間為6min;
F、 打開金屬蒸發源的電源，將含重量百分比為3%的Ce-Y (Ce和Y各佔一半)的Ti 靶和原子比為1: 2的Ti-Al靶蒸發並電離，並向真空室內輸送N2氣，使真空室內壓力為 0.1 5.0xl.0Pa，進行含Ce-Y的TiN塗層和Al-Ti-N塗層沉積，電弧電流為60A，負偏壓為-400V， 沉積時間為30min;
G、 關閉負偏壓、金屬蒸發源的電源和供氣系統的電磁閥，當真空室內的溫度低於10(TC 時，向真空室內通入空氣，打開真空室門，取出工件，最後等待抽真空系統完全冷卻後關閉 電源和水源。
通過以上實驗參數得到厚度在2pm，顯微硬度HVQ.52600，結合力為65N，抗氧化溫度達 到8 5 (TC的組織均勻、表面光滑、緻密的含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層。 實施實例2:
A、 將工件放入濃度為10。/。的乙醇溶液中超聲波清洗15min後，用烘箱烘乾；
B、 將上述處理後的工件放入真空室內的轉盤上，關上真空室門。開啟設備總開關和旋 轉機構的開關，使冷卻系統開始工作，轉盤轉動；
C、 開啟真空系統，對真空室進行抽真空，真空室內壓力達到6.0xl(^Pa;
D、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-1000V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣 管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為l.OPa，進行Ar離子清洗10min;
E、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-800V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣管 路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0 5.0xlO,a，開啟鈦靶在工件 上沉積鈦塗層，電弧電流為40A，沉積時間為6min;
F、 打開金屬蒸發源的電源，將含重量百分比為2%的Ce-Y (Ce和Y各佔一半)的Ti 靶和原子比為1: 3的Ti-Al靶蒸發並電離，並向真空室內輸送N2氣，使真空室內壓力為 0.1 5.0xl.0Pa，進行含Ce-Y的TiN塗層和Al-Ti-N塗層沉積，電弧電流為50A，負偏壓為-300V， 沉積時間為60 min;
G、關閉負偏壓、金屬蒸發源的電源和供氣系統的電磁閥，當真空室內的溫度低於IO(TC 時，向真空室內通入空氣，打開真空室門，取出工件，最後等待抽真空系統完全冷卻後關閉 電源和水源。
通過以上實驗參數得到厚度在4pm，顯微硬度HVo.52700，結合力為68N，抗氧化溫度達 到8 5 (TC的組織均勻、表面光滑、緻密的含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層。 實施實例3:
A、 將工件放入濃度為10。/。的乙醇溶液中超聲波清洗15min後，用烘箱烘乾；
B、 將上述處理後的工件放入真空室內的轉盤上，關上真空室門。開啟設備總開關和旋 轉機構的開關，使冷卻系統開始工作，轉盤轉動；
C、 開啟真空系統，對真空室進行抽真空，真空室內壓力達到6.0xl(^Pa;
D、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-1000V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣 管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為l.OPa，進行Ar離子清洗10min;
E、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-800V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣管 路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0~5.0xl(T2Pa，開啟鈦耙在工件 上沉積鈦塗層，電弧電流為40A，沉積時間為6min;
F、 打開金屬蒸發源的電源，將純Ti靶和含有重量百分比為0.5n/。的Ce-Y (Ce和Y各佔 一半)的Ti-Al ( Ti和Al原子比為l: 3)靶蒸發並電離，並向真空室內輸送N2氣，使真空 室內壓力為0.1 5.0xl.0Pa，進行含Ce-Y的TiN塗層和Al-Ti-N塗層沉積，電弧電流為50A， 負偏壓為-300V，沉積時間為80min;
G、 關閉負偏壓、金屬蒸發源的電源和供氣系統的電磁閥，當真空室內的溫度低於10(TC 時，向真空室內通入空氣，打開真空室門，取出工件，最後等待抽真空系統完全冷卻後關閉 電源和水源。
通過以上實驗參數得到厚度在5pm，顯微硬度HVo.52800，結合力為70N，抗氧化溫度達 到8 5 0 'C的組織均勻、表面光滑、緻密的含Ce-Y的Al- Ti-N多元複合塗層。 本說明書中未作詳細描述之內容為本領域專業技術人員公知現有技術。
權利要求
1、一種含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層，包括Ti-N、Al-Ti-N塗層，其特徵是在Ti-N、Al-Ti-N塗層中至少有一層沉積有Ce-Y。
2、 根據權利要求1所述一種含Ce-Y的Al- Ti-N多元複合塗層，其特徵是至少有一層 沉積有Ce-Y的Ti-N、 Al- Ti-N塗層覆蓋在工件上呈交替狀。
3、 根據權利要求1或2所述一種含Ce-Y的Al- Ti-N多元複合塗層，其特徵是工件上 多元複合塗層厚度為2 8pm。
4、 根據權利要求l或2所述一種含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層，其特徵是形成多 元複合塗層所採用靶材為Ti和Ti-Al，且靶材中Ce-Y重量百分比為0.5—3%。
5、 根據權利要求4所述一種含Ce-Y的Al- Ti-N多元複合塗層，其特徵是Ti -A1靶中 原子比為1: 2或1: 3。
6、 一種含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層製備方法，其特徵是按以下步驟進行A、 將工件放入濃度為10%的乙醇或丙酮溶液中超聲波清洗10 20min後，乾燥；B、 將上述處理後的工件放入真空室內的轉盤上，關上真空室門，開啟設備總開關和 旋轉機構的開關，使冷卻系統開始工作，轉盤轉動；C、 開啟真空系統，對真空室進行抽真空，真空室內壓力達到6.0x10—3Pa;D、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-900 -1100V，開啟供氣系統通向真空室 的輸氣管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0 2.0Pa,進行Ar離子 清洗10 20min;E、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-800 -1000V，開啟供氣系統通向真空室 的輸氣管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0~5.0xl(T2Pa，開啟鈦 靶在工件上沉積鈦塗層，電弧電流為40 60A，沉積時間為4 10min;F、 打開金屬蒸發源的電源，含Ce-Y重量百分比為0.5--3%的Ti靶和原子比為1: 2 或l: 3的Ti-Al靶蒸發並電離，並向真空室內輸送N2氣，使真空室內壓力為0.1 5.0xl.0Pa， 進行含Ce-Y的TiN塗層和Al-Ti-N塗層沉積，電弧電流為40 60A，負偏壓為-150 -400V， 沉積時間為30 100 min;G、 關閉負偏壓、金屬蒸發源的電源和供氣系統的電磁閥，當真空室內的溫度低於100°C 時，向真空室內通入空氣，打開真空室門，取出工件，得到含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層， 最後等待抽真空系統完全冷卻後關閉電源和水源。
7、 根據權利要求6所述一種含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層製備方法，其特徵是按以 下更具體步驟進行A、 將工件放入濃度為10n/。的丙酮溶液中超聲波清洗15min後，用烘箱烘乾；B、 將上述處理後的工件放入真空室內的轉盤上，關上真空室門，開啟設備總開關和 旋轉機構的開關，使冷卻系統開始工作，轉盤轉動；C、 開啟真空系統，對真空室進行抽真空，真空室內壓力達到6.0xl0—spa;D、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-900V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣 管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為l.OPa，進行Ar離子清洗10min;E、 打開負偏壓電源，對工件施加負偏壓達到-800V，開啟供氣系統通向真空室的輸氣 管路上的電磁閥，向真空室內輸送Ar氣，使真空室內壓力為1.0 5.0xlO々Pa，開啟鈦靶在工 件上沉積鈦塗層，電弧電流為40A，沉積時間為6min;F、 打開金屬蒸發源的電源，將含Ce-Y重量百分比為3。/。的Ti靶和原子比為h 2的 Ti-Al靶蒸發並電離，並向真空室內輸送N2氣，使真空室內壓力為0.1 5.0xl.0Pa，進行含Ce-Y 的TiN塗層和Al-Ti-N塗層沉積，電弧電流為60A，負偏壓為-400V，沉積時間為30min;G、 關閉負偏壓、金屬蒸發源的電源和供氣系統的電磁閥，當真空室內的溫度低於IO(TC 時，向真空室內通入空氣，打開真空室門，取出工件，最後等待抽真空系統完全冷卻後關閉 電源和水源。
全文摘要
本發明屬於超硬材料技術領域，為了降低塗層中「大顆粒」的數量和尺寸，提高塗層的抗剝落性和抗氧化溫度，同時成膜速率增加，提供一種含Ce-Y的Al-Ti-N多元複合塗層及其製備方法。本發明採取在Ti-N、Al-Ti-N塗層中至少有一層沉積有Ce-Y，同時在製備方法上採取含Ce-Y重量百分比為0.5-3％的Ti靶和原子比為1∶2或1∶3的Ti-Al靶蒸發並電離，並向真空室內輸送N2氣，進行含Ce-Y的TiN塗層和Al-Ti-N塗層沉積技術方案，大大提高工件的硬度、耐磨和高溫抗氧化性，使用壽命顯著提高，使之能適應高精度、高速切削、乾式切削等加工領域。
文檔編號C23C14/54GK101353776SQ20081010718
公開日2009年1月28日 申請日期2008年8月8日 優先權日2008年8月8日
發明者劉海浪, 王寶建, 羊建高, 顥 陳 申請人:崇義章源鎢業股份有限公司;江西理工大學