技术摘要：
本发明公开了一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层及其制备工艺，属于复合涂层制备技术领域。所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由单层AlCrTiSiN及AlCrTiSiON叠加而成。该复合涂层采用电弧离子镀膜技术制备，具体制备时，靶材选取金属Cr靶、AlCrSi靶、AlTiSi靶， 全部
背景技术：
随着工业的发展，高速钢、灰铸铁等高强度、高硬度材料的应用日益广泛，传统的 涂层刀具越来越难满足高速切削、干切削等工艺要求。在实际加工过程中，上述材料中大量 的碳化物硬质颗粒将参与切削过程，与刀具发生磨粒磨损，极大地降低了涂层刀具的耐磨 性能和抗高温氧化能力。高熵合金涂层AlCrTiSiN相比于市面上常见的AlCrN、AlTiN等涂 层，其硬度、强度、韧性及抗高温氧化性均得到大幅提升，适于在高速切削、干切削条件下加 工使用，这得益于加入Si元素，在涂层内部形成Si3N4非晶相，起到细晶强化作用，且(Al,Cr, Ti)N纳米晶粒镶嵌于非晶Si3N4层中形成纳米复合结构，极大提高涂层的力学及摩擦学性 能。在切削加工时，涂层表面易生成致密的(Al,Cr)2O3保护膜，具有良好的隔热效果，可提高 涂层刀具使用寿命。 为进一步提高涂层的抗高温氧化性能，对涂层表面进行预氧化处理，制备表面高 温防护层，结合内部高硬度、高韧性的工作层，可使涂层刀具适用于超高速切削，能大幅度 降低切削温度，显著提高涂层刀具使用寿命。本专利采用电弧离子镀膜技术在金属或硬质 合金基体表面沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，此涂层可有效隔离刀具和工件， 具有良好的热屏障和化学屏障作用，从而提高涂层刀具的加工效率和使役寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺，所 制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层兼具高硬度、高耐磨性及高耐热能力。 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下： 一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，沉积于金属或硬质合金基体表面，所 述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由AlCrTiSiN层和AlCrTiSiON层叠加而成。 所述AlCrTiSiN及AlCrTiSiON层均为单层，总沉积时间设置为3h。 所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层膜/基结合强度均大于60N，磨损率均低 于6.26×10-3μm3/N·μm。 所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺是采用电弧离子镀膜技术 在基体表面沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，靶材选择纯金属Cr靶、AlCrSi合金 靶和AlTiSi合金靶；沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层时，先开启Cr靶，进行离子轰 击清洗及过渡层制备。然后共同开启AlCrSi靶和AlTiSi靶，沉积AlCrTiSiN层，最后通入一 定量氧气制备AlCrTiSiON表面防护涂层，分别控制镀膜时的沉积压强、反应气体流量以及 各个靶的弧流参数，制备AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。 本发明在沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层时，弧流均设置为60～100A； 4 CN 111549322 A 说 明 书 2/5 页 开启AlCrSi靶和AlTiSi靶沉积AlCrTiSiN涂层时，设置基体偏压为-80～-120V(占空比60％ ～90％)，通入氩气和氮气调节沉积压强至1.5～3.0Pa；沉积AlCrTiSiON涂层时，氧气通入 时间为5～15min；控制AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层总镀膜时间为3h，设置不同靶 材开启时间及气体通入时间。 当沉积AlCrTiSiN涂层时，通入氩气的流量为50sccm，通入氮气的流量为600sccm， 总流量650sccm；沉积AlCrTiSiON涂层时，通入氩气流量为50sccm，通入氮气流量为 600sccm，通入氧气流量为20sccm，总流量670sccm。 所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺，具体包括如下步骤： (1)将清洗后的硬质合金基片、不锈钢片及硅片固定于镀膜室内旋转架上，将真空 度抽至3×10-3Pa；加热至450℃； (2)先采用高的负偏压辉光放电清洗基体10～30min，辉光放电清洗后开启Cr靶， 调整偏压依次至-800V、-600V、-400V和-200V对基体表面分别进行2分钟的离子轰击清洗， 以除去基体表面污染层和氧化物。 (3)开启Cr靶，并通入氮气、氩气制备CrN过渡层30min，以提高工作层与基体的结 合强度 (4)沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。 上述步骤(2)中，所述辉光放电清洗的过程为：将炉腔加热至200～500℃，通入氩 气200～600sccm，设置脉冲偏压-600～-1000V，对基体进行辉光放电清洗。所述离子轰击清 洗过程为：辉光放电清洗后，开启Cr靶，调整氩气流量为50～100sccm，在-800V、-600V、- 400V和-200V负偏压条件下依次轰击清洗2min。 上述步骤(3)中，沉积CrN过渡层的过程为：辉光放电清洗和离子轰击清洗后，设置 偏压为-50～-100V(占空比60％～90％)，开启Cr靶，通入氩气流量为50sccm，氮气流量为 200sccm，调节沉积压强至0.5～1.2Pa，沉积CrN过渡层10～30min。 本发明的设计机理如下： 本发明采用电弧离子镀技术在硬质合金片、SUS304不锈钢和单晶Si片上沉积 AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合薄膜。通过预氧化实验在AlCrTiSiN涂层表面制备一层 AlCrTiSiON保护膜，在不明显降低AlCrTiSiN涂层的力学性能和摩擦学性能的前提下，大幅 度提高涂层的耐热能力。表层氧化膜能有效阻止工作层内部被进一步氧化，具有良好的热 屏障和化学屏障作用。 在本发明AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层制备过程中，沉积温度对涂层性能 有较大影响，当温度较低时，粒子动能较小，所制备的涂层组织较为疏松；当沉积温度过高 时，粒子动能过大，反溅射现象严重，涂层性能有所下降。此外，含氧涂层脆性较大，制备表 层氧化膜时，通氧时间过长会导致涂层在外载荷作用下易崩裂，降低涂层使用寿命；表层氧 化膜过薄热屏障效果不明显。因此，本发明通过改变沉积温度及通氧时间来制备涂层，经优 化得到性能最佳的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。 本发明的优点及有益效果如下： 1、本发明制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层具有高的耐热能力，具有明 显的隔热效果。 2、AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由AlN、CrN、TiN等纳米晶镶嵌在Si3N4非 5 CN 111549322 A 说 明 书 3/5 页 晶层中形成的纳米复合结构，具有高硬度、耐磨性好、化学性能稳定等优点。 3、AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层制备工艺较为简易且重复性好，制备的涂 层应用前景广泛，适用于高速干切削各种难加工材料，大幅度提高切削效率及刀具使用寿 命。 4、AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层具有优异的抗高温氧化性能和良好的力 学性能及摩擦磨损性能，涂层刀具可适用于重载断续加工。 附图说明 图1为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的X射线 衍射谱。 图2为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的表面形 貌。 图3为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的截面形 貌。 图4为利用纳米压痕技术测试AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层纳米硬度的加 载-卸载曲线。 图5为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的划痕形 貌图；其中：(a)实施例1；(b)实施例2。 图6为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的摩擦系 数曲线。 图7为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的磨痕形 貌；其中：(a)实施例1通氧10min；(b)实施例2通氧20min。
本发明公开了一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层及其制备工艺，属于复合涂层制备技术领域。所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由单层AlCrTiSiN及AlCrTiSiON叠加而成。该复合涂层采用电弧离子镀膜技术制备，具体制备时，靶材选取金属Cr靶、AlCrSi靶、AlTiSi靶， 全部
背景技术：
随着工业的发展，高速钢、灰铸铁等高强度、高硬度材料的应用日益广泛，传统的 涂层刀具越来越难满足高速切削、干切削等工艺要求。在实际加工过程中，上述材料中大量 的碳化物硬质颗粒将参与切削过程，与刀具发生磨粒磨损，极大地降低了涂层刀具的耐磨 性能和抗高温氧化能力。高熵合金涂层AlCrTiSiN相比于市面上常见的AlCrN、AlTiN等涂 层，其硬度、强度、韧性及抗高温氧化性均得到大幅提升，适于在高速切削、干切削条件下加 工使用，这得益于加入Si元素，在涂层内部形成Si3N4非晶相，起到细晶强化作用，且(Al,Cr, Ti)N纳米晶粒镶嵌于非晶Si3N4层中形成纳米复合结构，极大提高涂层的力学及摩擦学性 能。在切削加工时，涂层表面易生成致密的(Al,Cr)2O3保护膜，具有良好的隔热效果，可提高 涂层刀具使用寿命。 为进一步提高涂层的抗高温氧化性能，对涂层表面进行预氧化处理，制备表面高 温防护层，结合内部高硬度、高韧性的工作层，可使涂层刀具适用于超高速切削，能大幅度 降低切削温度，显著提高涂层刀具使用寿命。本专利采用电弧离子镀膜技术在金属或硬质 合金基体表面沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，此涂层可有效隔离刀具和工件， 具有良好的热屏障和化学屏障作用，从而提高涂层刀具的加工效率和使役寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺，所 制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层兼具高硬度、高耐磨性及高耐热能力。 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下： 一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，沉积于金属或硬质合金基体表面，所 述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由AlCrTiSiN层和AlCrTiSiON层叠加而成。 所述AlCrTiSiN及AlCrTiSiON层均为单层，总沉积时间设置为3h。 所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层膜/基结合强度均大于60N，磨损率均低 于6.26×10-3μm3/N·μm。 所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺是采用电弧离子镀膜技术 在基体表面沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，靶材选择纯金属Cr靶、AlCrSi合金 靶和AlTiSi合金靶；沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层时，先开启Cr靶，进行离子轰 击清洗及过渡层制备。然后共同开启AlCrSi靶和AlTiSi靶，沉积AlCrTiSiN层，最后通入一 定量氧气制备AlCrTiSiON表面防护涂层，分别控制镀膜时的沉积压强、反应气体流量以及 各个靶的弧流参数，制备AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。 本发明在沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层时，弧流均设置为60～100A； 4 CN 111549322 A 说 明 书 2/5 页 开启AlCrSi靶和AlTiSi靶沉积AlCrTiSiN涂层时，设置基体偏压为-80～-120V(占空比60％ ～90％)，通入氩气和氮气调节沉积压强至1.5～3.0Pa；沉积AlCrTiSiON涂层时，氧气通入 时间为5～15min；控制AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层总镀膜时间为3h，设置不同靶 材开启时间及气体通入时间。 当沉积AlCrTiSiN涂层时，通入氩气的流量为50sccm，通入氮气的流量为600sccm， 总流量650sccm；沉积AlCrTiSiON涂层时，通入氩气流量为50sccm，通入氮气流量为 600sccm，通入氧气流量为20sccm，总流量670sccm。 所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺，具体包括如下步骤： (1)将清洗后的硬质合金基片、不锈钢片及硅片固定于镀膜室内旋转架上，将真空 度抽至3×10-3Pa；加热至450℃； (2)先采用高的负偏压辉光放电清洗基体10～30min，辉光放电清洗后开启Cr靶， 调整偏压依次至-800V、-600V、-400V和-200V对基体表面分别进行2分钟的离子轰击清洗， 以除去基体表面污染层和氧化物。 (3)开启Cr靶，并通入氮气、氩气制备CrN过渡层30min，以提高工作层与基体的结 合强度 (4)沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。 上述步骤(2)中，所述辉光放电清洗的过程为：将炉腔加热至200～500℃，通入氩 气200～600sccm，设置脉冲偏压-600～-1000V，对基体进行辉光放电清洗。所述离子轰击清 洗过程为：辉光放电清洗后，开启Cr靶，调整氩气流量为50～100sccm，在-800V、-600V、- 400V和-200V负偏压条件下依次轰击清洗2min。 上述步骤(3)中，沉积CrN过渡层的过程为：辉光放电清洗和离子轰击清洗后，设置 偏压为-50～-100V(占空比60％～90％)，开启Cr靶，通入氩气流量为50sccm，氮气流量为 200sccm，调节沉积压强至0.5～1.2Pa，沉积CrN过渡层10～30min。 本发明的设计机理如下： 本发明采用电弧离子镀技术在硬质合金片、SUS304不锈钢和单晶Si片上沉积 AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合薄膜。通过预氧化实验在AlCrTiSiN涂层表面制备一层 AlCrTiSiON保护膜，在不明显降低AlCrTiSiN涂层的力学性能和摩擦学性能的前提下，大幅 度提高涂层的耐热能力。表层氧化膜能有效阻止工作层内部被进一步氧化，具有良好的热 屏障和化学屏障作用。 在本发明AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层制备过程中，沉积温度对涂层性能 有较大影响，当温度较低时，粒子动能较小，所制备的涂层组织较为疏松；当沉积温度过高 时，粒子动能过大，反溅射现象严重，涂层性能有所下降。此外，含氧涂层脆性较大，制备表 层氧化膜时，通氧时间过长会导致涂层在外载荷作用下易崩裂，降低涂层使用寿命；表层氧 化膜过薄热屏障效果不明显。因此，本发明通过改变沉积温度及通氧时间来制备涂层，经优 化得到性能最佳的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。 本发明的优点及有益效果如下： 1、本发明制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层具有高的耐热能力，具有明 显的隔热效果。 2、AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由AlN、CrN、TiN等纳米晶镶嵌在Si3N4非 5 CN 111549322 A 说 明 书 3/5 页 晶层中形成的纳米复合结构，具有高硬度、耐磨性好、化学性能稳定等优点。 3、AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层制备工艺较为简易且重复性好，制备的涂 层应用前景广泛，适用于高速干切削各种难加工材料，大幅度提高切削效率及刀具使用寿 命。 4、AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层具有优异的抗高温氧化性能和良好的力 学性能及摩擦磨损性能，涂层刀具可适用于重载断续加工。 附图说明 图1为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的X射线 衍射谱。 图2为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的表面形 貌。 图3为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的截面形 貌。 图4为利用纳米压痕技术测试AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层纳米硬度的加 载-卸载曲线。 图5为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的划痕形 貌图；其中：(a)实施例1；(b)实施例2。 图6为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的摩擦系 数曲线。 图7为采用电弧离子镀技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的磨痕形 貌；其中：(a)实施例1通氧10min；(b)实施例2通氧20min。
