一種超厚超硬塗層及其製備方法
2023-05-14 16:53:56
專利名稱：一種超厚超硬塗層及其製備方法
技術領域：
本發明屬於塗層材料製備領域，具體涉及一種超厚超硬TiAlSiCN塗層及其製備方法。
背景技術：
超硬塗層是指硬度> 40GPa的一類塗層材料，目前在機械切削刀具、成型模具加工和各種零部件的表面耐磨損及抗氧化性能強化上應用廣泛。近年來採用氣相沉積技術製備20微米以上的超厚超硬塗層，以代替等離子體噴塗的陶瓷塗層或電鍍的金屬塗層，正成為超硬塗層領域的研究熱點。採用氣相沉積技術製備的這種超厚超硬塗層具有膜層微觀結構緻密、硬度高、耐磨損、抗腐蝕(含抗衝蝕)、抗氧化及強韌性協調好等優點，在航空、航天、機械、化工及能源電力等領域的許多產品關鍵零部件表面強化，提高其使用壽命和安全性上具有巨大的應用潛力。例如，法國幻影機的一、二級壓氣機葉片上沉積TiN超厚塗層，使 用1600小時仍保持完好，俄羅斯已將TiN超厚塗層成功應用於米-24、米-28直升機發動機引擎螺旋漿葉片及轉子葉片的衝蝕防護，美國在直升機壓氣機葉片上沉積的納米複合超硬TiSiCN塗層的厚度已達560微米，顯著提高了葉片的抗磨損和抗衝蝕能力。目前傳統的氣相沉積技術只能製備厚度10微米以下的超硬塗層，主要原因是塗層製備過程中殘餘應力大，膜基結合性能差，塗層在早期使用過程中容易剝落失效。因此，許多研究者正通過各種技術措施和工藝參數優化降低塗層應力，提高塗層的結合力。超硬耐磨塗層成分優化設計上，目前國內外研究者正在開發各種多元超硬塗層，特別是以TiN為基礎摻入其它金屬或非金屬元素，形成多元塗層材料是主要的發展方向。多元超硬塗層可以進一步提高塗層材料的硬度、耐磨性、減摩性、抗氧化性以及抗腐蝕性等，如TiN塗層中加入Si元素形成納米複合結構的TiSiN塗層，可以使塗層硬度提高到40GPa以上。又如在TiN塗層中加入Al元素形成TiAlN塗層，由於Al元素自身抗氧化性能優異，可使TiAlN塗層在使用過程中的抗高溫氧化性能明顯提高。目前TiAlN塗層的最高工作溫度可以達到850°C。
發明內容
本發明的目的在於提供一種超厚超硬塗層及其製備方法。為了實現上述目的，本發明採用了以下技術方案—種超厚超硬塗層，包括沉積於基體表面的Ti底層、製備於Ti底層上的TiN過渡層以及製備於TiN過渡層上的TiAlSiCN塗層，Ti底層以及TiN過渡層可以保證塗層具有良好的結合力，該超厚超硬塗層的厚度(Ti底層、TiN過渡層以及TiAlSiCN塗層三者的總厚度)^ 20微米。所述超厚超硬塗層的Ti源為柱型電弧Ti靶，Si、Al和C的來源為相應的平面磁控濺射Si靶、Al靶和C靶，採用Ar作為離化氣體，N的來源為用作反應氣體的N2。通過工藝參數的合理優化，以及底層和過渡層結構的巧妙設計，保證塗層形成過程中產生的殘餘應力很小，在Ti底層和TiN過渡層上沉積形成超厚超硬的TiAlSiCN塗層。上述超厚超硬塗層的製備方法，包括以下步驟I)將預處理後的基體放入真空室，開始抽真空並加熱到200°C，當真空室氣壓達到6Pa時，開偏壓到-1000V對真空室進行轟擊清洗，持續30min ;然後開柱型電弧Ti靶，柱弧電流為100A，利用電弧進一步對真空室轟擊清洗，持續5min ；2)經過步驟I)後，向真空室通入Ar，通過調節Ar流量將真空室氣壓調至O. 3Pa，然後開啟柱型電弧Ti靶，柱弧電流為100A，調整偏壓到-200V，持續lOmin，在基體上製備約O. 5微米厚的Ti底層； 3)向真空室通入流量為lOmL/min的N2，持續20min，在Ti底層上製備約I微米厚的TiN過渡層；4)將偏壓調整為-100V，N2流量調整為15mL/min，柱弧電流為100A，打開平面磁控濺射Si靶、Al靶和C靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶和C靶的電源功率分別調至lkW、8kW和3. 5kW，調節Ar流量將真空室氣壓保持在O. 7Pa，在TiN過渡層上製備TiAlSiCN超厚超硬塗層，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，持續時間為16小時。所述基體置於真空室內的轉架杆上，轉架杆隨真空室內的轉臺架轉動，轉架杆也可以自轉。所述預處理的方法為對基體進行表面除油、拋光後浸入丙酮中超聲波清洗，然後酒精脫水。本發明所述超厚超硬塗層的製備方法的主要創新之處是在TiAlSiCN塗層與基體之間製備有Ti底層、TiN過渡層等結構層，解決了傳統方法製備硬質塗層的結合力隨塗層厚度增加而下降的缺點，顯著的提高了基體對TiAlSiCN塗層的結合力，結合力的提高使製備於基體上的TiAlSiCN塗層的厚度顯著提高；本發明在TiN塗層中加入Si、C、Al元素，形成五元成分的TiAlSiCN塗層材料，使塗層材料的硬度、耐磨性、減摩性、抗高溫氧化以及抗腐蝕性能進一步提聞。進一步的，本發明依據電弧離子鍍塗層生長速度快、膜基結合力好，以及磁控濺射離子鍍塗層組織緻密等優點，採用電弧增強磁控濺射鍍膜技術，通過工藝參數的合理優化，使塗層形成過程中產生的殘餘應力降低，並結合塗層成分優化及底層、過渡層結構的巧妙設計，製備得到TiAlSiCN超厚超硬塗層。採用本發明的方法製備的超厚超硬塗層，經測定其 TiAlSiCN 塗層成分為 Ti 13. 96at. %, Al 23. 85at. %, Si 8. 03at. %, C 13. 83at. %, N 40. 33at. %，塗層硬度達到42GPa，結合力40N，塗層總厚度為22. 17微米。本發明製備的TiAlSiCN超厚超硬塗層，有望在航空、航天、機械、化工、能源電力等領域獲得廣泛應用。
圖I為電弧增強磁控濺射鍍膜設備結構示意圖；圖2為本發明製備的超厚超硬塗層的縱截面掃描電鏡微觀結構形貌。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
本發明採用電弧增強磁控濺射離子鍍技術製備TiAlSiCN超厚超硬塗層材料。本實施例給出一種在高速鋼基體上製備TiAlSiCN超厚超硬塗層的方法，需要說明的是，本發明的方法製備的TiAlSiCN超厚超硬塗層，可以在任何鋼製基體材料上進行，不限於該實施例。本實施例的具體製備過程是(I)基體預處理採用經1170°C淬火，550°C回火後的硬度為HRC=60的高速鋼基體(W18Cr4V)作為樣品，樣品經表面除油、拋光後浸入丙酮中超聲波清洗，然後酒精脫水；(2)將預處理好的基體材料放入電弧增強磁控濺射鍍膜設備中。如圖I所示，電弧增強磁控濺射鍍膜設備至少包括真空室I、轉臺架2、偏壓3、轉架杆4、平面Si靶、平面Al 靶和平面C靶5、永磁體6、柱弧Ti靶7、加熱器8、泵組9，樣品置於轉架杆4上，轉架杆4可以隨轉臺架2轉動，也可以自轉，這樣就避免了塗層只能單面鍍以及鍍膜不均的問題，保證了鍍膜過程的均勻性；(3)採用Φ60Χ495πιπι柱弧Ti靶7作為Ti源，有效提高膜基結合力，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶7的濺射率；靶材採用尺寸為435 X 95 X IOmm的平面Si靶、435 X 95 X IOmm的平面Al靶和435 X 95 X IOmm的平面C靶作為相應元素的來源，如圖I所示，採用平面對靶的方式將平面Si靶、Al靶和C靶安置在爐體內壁上，並通過調整中頻脈衝電源的功率控制上述平面Si靶、Al靶和C靶的濺射率；採用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；採用高純N2作為反應氣體，使其離化並與各靶中的Ti、Si、Al、C元素結合，在高速鋼基體表面沉積形成TiAlSiCN塗層；(4)電弧增強磁控濺射離子鍍製備TiAlSiCN超厚超硬塗層的優化工藝條件為基體放入真空室後，開始抽真空並加熱到200°C，當真空室氣壓達到6Pa時，開偏壓到-1000V對真空室進行轟擊清洗，持續30min ;然後開柱弧Ti靶，柱弧電流為100A，利用電弧進一步對真空室轟擊清洗，持續5min ；然後向真空室通入Ar，通過調節Ar流量將真空室氣壓調至O. 3Pa，然後開啟柱弧Ti靶，柱弧電流為100A，調整偏壓到-200V，持續lOmin，在基體上製備約O. 5微米的Ti底層；然後向真空室通入流量為lOmL/min的N2,持續20min，在Ti底層上製備約I微米的TiN過渡層；然後將偏壓調整為-100V，N2流量調整為15mL/min，柱弧Ti靶電流為100A，打開Si靶、Al靶和C靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶和C靶的電源功率分別調至lkW、8kW和3. 5kW，調節Ar流量將真空室氣壓保持在O. 7Pa，在TiN過渡層上進行TiAlSiCN超厚超硬塗層製備，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，持續時間16小時。在上述工藝條件下，即可獲得五元成分的TiAlSiCN超厚超硬塗層。經測定TiAlSiCN 塗層的成分為 Ti : 13. 96at. %，Al :23. 85at. %，Si :8. 03at. %，C 13. 83at. %，N 40. 33at. %，硬度達到42GPa，結合力40N。塗層縱截面的掃描電鏡微觀結構形貌如圖2所示，可以看出，膜層結構緻密，設計製備的底層和過渡層明顯，塗層總厚度22. 17微米。
權利要求
1.一種超厚超硬塗層，其特徵在於包括沉積於基體表面的Ti底層、製備於Ti底層上的TiN過渡層以及製備於TiN過渡層上的TiAlSiCN塗層，該超厚超硬塗層的厚度> 20微米。
2.根據權利要求I所述一種超厚超硬塗層，其特徵在於所述超厚超硬塗層的Ti源為柱型電弧Ti IE, Si、Al和C的來源為相應的平面磁控濺射Si靶、Al靶和C IE, N的來源為用作反應氣體的N2。
3.一種製備如權利要求I所述超厚超硬塗層的方法，其特徵在於包括以下步驟 1)將預處理後的基體放入真空室,開始抽真空並加熱到200°C，當真空室氣壓達到6Pa時，開偏壓到-1000V對真空室進行轟擊清洗，持續30min ;然後開柱型電弧Ti祀，柱弧電流為100A，利用電弧進一步對真空室轟擊清洗，持續5min ； 2)經過步驟I)後，向真空室通入Ar，通過調節Ar流量將真空室氣壓調至0.3Pa，然後開啟柱型電弧Ti靶，柱弧電流為100A，調整偏壓到-200V，持續lOmin，在基體上製備0. 5微米厚的Ti底層； 3)向真空室通入流量為lOmL/min的N2，持續20min，在Ti底層上製備I微米厚的TiN過渡層； 4)將偏壓調整為-100V，N2流量調整為15mL/min，柱弧電流為100A，打開平面磁控濺射Si靶、Al靶和C靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶和C靶的電源功率分別調至lkW、8kW和3. 5kW，調節Ar流量將真空室氣壓保持在0. 7Pa，在TiN過渡層上製備TiAlSiCN超厚超硬塗層，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，持續時間為16小時。
4.根據權利要求3所述一種製備超厚超硬塗層的方法，其特徵在於所述基體置於真空室內的轉架杆上，轉架杆隨真空室內的轉臺架轉動，轉架杆也可以自轉。
5.根據權利要求3所述一種製備超厚超硬塗層的方法，其特徵在於所述預處理的方法為對基體進行表面除油、拋光後浸入丙酮中超聲波清洗，然後酒精脫水。
全文摘要
本發明提供一種超厚超硬塗層及其製備方法，包括沉積於基體表面的Ti底層、製備於Ti底層上的TiN過渡層以及製備於TiN過渡層上的TiAlSiCN塗層，該超厚超硬塗層的厚度≥20微米，製備時以柱型電弧Ti靶作為Ti源，以平面磁控濺射Si靶、Al靶和C靶作為相應的Si、Al和C的來源，採用Ar作為離化氣體，採用N2作為反應氣體，本發明顯著的提高了基體對TiAlSiCN塗層的結合力，使製備於基體上的TiAlSiCN塗層的厚度顯著提高；本發明在TiN塗層中加入Si、C、Al元素，形成五元成分的TiAlSiCN塗層材料，使塗層材料的硬度、耐磨性、減摩性、抗高溫氧化以及抗腐蝕性能進一步提高。
文檔編號C23C14/35GK102756514SQ20121024922
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月18日 優先權日2012年7月18日
發明者徐可為, 李澤宇, 馬勝利 申請人:西安交通大學