高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN納米結構保護性涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型保護性涂層，特別涉及一種具有TiAlN和ZrSiN交替沉積的高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN納米結構保護性涂層及其制備方法，主要應用在高承載、高耐磨的零件表面，從而提高零件的使用壽命。
【背景技術】
[0002]隨著先進制造業的發展，對材料的表面性能提出了越來越高的要求，要求材料表面具有較高的硬度、耐磨、耐腐蝕和耐高溫性能。在材料表面涂覆一層超硬涂層是提高材料表面性能的一種有效途徑，它的發展適應了現代制造業對金屬切削刀具的高技術要求，可被廣泛應用于機械制造、汽車工業、地質鉆探、模具工業等領域。隨著高速切削、干式切削等先進切削技術的不斷發展，對涂層的性能也提出了更高的要求，傳統的涂層，如TiN、TiCN,CrN、TiAlN涂層已逐漸不能滿足要求。
[0003]隨著納米科學與技術的發展，納米結構涂層成為硬質涂層材料的重要發展方向。所謂納米結構涂層包括納米多層和納米復合兩種結構。多層涂層是由兩種或兩種以上成分或結構不同的材料在垂直于涂層表面方向上相互交替生長而形成的二維多層材料，對于兩種不同結構或組成的多層涂層，每相鄰兩層形成一個基本單元，其厚度稱為調制周期，通常將調制周期小于10nm的多層涂層稱為納米多層涂層，研宄表明，當調制周期為特定的厚度時，納米多層涂層將呈現硬度異常升高的“超硬效應”，使納米多層涂層具有高的力學性能。另外，作為一種二維復合材料，納米多層涂層可以充分利用每種材料的優點，使其的綜合性能得到提升。因此，納米多層涂層是新型保護型硬質涂層的重要發展方向。納米復合涂層是指由界面相包覆基體相的復合結構涂層，由于基體相的晶粒尺寸一般為幾至幾十納米，因此稱其為納米復合涂層，該涂層同樣具有超硬效應，已成為超硬涂層領域的重要發展方向。
[0004]通過查文獻得知，納米多層和納米復合結構涂層目前已經通過多種方法成功制得，取得不少有益的成果，如 TiZrAlS1N、AlTiN/AlCrN、TiAlZrN/CrN、AlN/Si3N4 等。通過查詢，檢索到如下有關制備納米結構超硬涂層的中國專利:
[0005]申請號為CN201410170158的專利涉及一種TiZrAlS1N納米復合超硬涂層刀具及其制備方法，涂層刀具包括硬質合金刀具本體，刀具本體上涂鍍TiZrAlS1N納米復合涂層，TiZrAlS1N涂層包括50-100納米厚金屬打底層Zr金屬層、100-200納米厚氮化物過渡層ZrN、1000-4000納米厚功能層TiZrAlS1N構成，該納米復合涂層具有納米晶顆粒鑲嵌于非晶基體的納米復合結構，納米顆粒為TiN和ZrN，而非晶基體包括A1203和Si3N4 ;所制備的TiZrAlS1N復合涂層具有硬度高、摩擦系數低、韌性和結合力強，優異的抗高溫氧性等特點。
[0006]申請號為CN201210368027的專利涉及一種AlTiN-AlCrN超硬納米多層復合涂層滾齒刀及其制備方法。在滾齒刀采用電弧離子鍍技術生成由Cr、CrN, AlTiN/CrN、AlTiN/AlCrN依次構成的納米復合涂層。該發明所制備的AlTiN/AlCrN涂層與高速鋼或者硬質合金滾齒刀具有良好的結合力、良好的硬度和優越的耐溫性能。
[0007]申請號為CN201410398736的專利涉及一種高硬度TiAlZrN/CrN納米多層涂層及其制備方法；所述納米多層涂層由多個TiAlZrN層和CrN層構成，各TiAlZrN層和CrN層交替沉積在基體上形成納米量級多層結構，其總厚度為2.4?5.8 μπι;所述納米多層涂層的制備方法為首先將基體表面拋光處理，經超聲波清洗和離子清洗后，再采用反應濺射法在基體上交替濺射TiAlZrN層和CrN層。
[0008]申請號為CN200710135578的專利涉及一種納米結構涂層及其制備方法，所述的AlN/Si3N4納米多層膜由AlN和Si3N4形成在金屬或陶瓷的基體上，為交替沉積納米量級的多層結構，各層厚度范圍是:A1N層厚度為2.0-12nm，Si3N4層為0.4-12.0nm,總厚度為1.0到5.0微米。制備時，首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，然后通過在金屬或陶瓷的基體上采用純Al和Si靶進行雙靶射頻反應濺射方法交替沉積Si3N4層和AlN層，通入高純的Ar和N2，制取AlN/Si3N4納米多層膜。AlN/Si3N4多層膜的厚度通過增加多層膜的調制周期數獲得。
[0009]然而，在以往對于超硬涂層研宄中，存在力學性能與涂層成本相矛盾的問題，有些涂層硬度等力學性能不高，不能滿足日益惡化的零件服役環境；而某些性能較好的涂層材料，制備工藝又相對復雜，從而造成涂層的生產成本增加。因此，開發出工藝簡單、生產成本低、具有高硬度、高耐磨性的納米結構涂層材料及其制備技術現代材料表面工程領域亟待解決的關鍵問題。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是針對上述問題，提供一種具有高硬度和高耐磨性的TiAlN/ZrSiN納米結構保護性涂層。
[0011]本發明的另一目的是提供一種工藝簡單、成本低的TiAlN/ZrSiN納米結構保護性涂層的制備方法。
[0012]為達到上述目的，本發明采用下述技術方案:
[0013]一種高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN納米結構保護性涂層，該涂層沉積在基片上，基片為金屬、硬質合金或陶瓷，該涂層包括若干個交替沉積的TiAlN層和ZrSiN層。
[0014]在上述的涂層中，該涂層的總厚度為2.0-5.0 μπι。
[0015]在上述的涂層中，所述的ZrSiN層具有ZrN和SiNx兩相結構。
[0016]在上述的涂層中，所述的ZrSiN層厚度小于1.6nm，且ZrSiN層在TiAlN層的模板作用下被轉化為面心立方結構。
[0017]在上述的涂層中，該涂層最下方的TiAlN層沉積在TiN過渡層上。
[0018]—種高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN納米結構保護性涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0019]步驟A、濺射TiAlN層:把需要濺射涂層的基片正對TiAl靶進行反應濺射；
[0020]步驟B、濺射ZrSiN層:完成步驟A后，轉動基片使基片正對ZrSi靶進行反應濺射；
[0021]步驟C、交替濺射:重復步驟A-B若干次，從而形成包括若干個交替沉積的TiAlN層和ZrSiN層的涂層。
[0022]在上述的制備方法中，在步驟A中，TiAl靶的Ti含量為50at%，在步驟B中，ZrSi靶中的Si含量為16-32at%。
[0023]在上述的制備方法中，在步驟A中，基片在TiAl靶上方停留時間為16s，在步驟B中，基片在ZrSi靶上方停留時間為6s，在步驟C中，涂層的調制周期是由精確控制Si基片在TiAl靶和ZrSi靶前的停留時間來實現，基片的轉動周期為150次，涂層的厚度為
2.0-5.0 μ mD
[0024]在上述的制備方法中，在步驟A中，在對基片進行反應濺射前，還包括將基片清洗和沉積TiN過渡層的步驟，其中，基片清洗是將拋光后的基片送入超聲波清洗機中，用無水酒精和/或丙酮在15-30kHz下清洗5-10min，然后將基片裝進真空室，抽真空到6X KT4Pa后通入Ar氣，維持真空度在2_4Pa，用中頻對基片進行為時30min的離子轟擊，功率為80-100W ;沉積TiN過渡層是將離子轟擊后的基片放進濺射室內，利用純Ti靶(99.99at.% )進行反應濺射，通過直流電源控制Ti靶，功率為120W，通過Ar和N2流量分別為32sccm和2sccm，基片不加熱，沉積時間為5min。
[0025]在上述的制備方法中，步驟A和步驟B的濺射采用多靶磁控濺射儀，其中直流電源控制TiAl靶，射頻電源控制ZrSi靶，ZrSiN層濺射功率300W，時間6s ；TiAlN層濺射功率120W，時間20s ；Ar氣流量為38sccm ;N2氣流量為5sccm ;靶基距為5_7cm ;總氣壓為0.2-0.6Pa ;濺射溫度為室溫-300 °C。
[0026]與現有的技術相比，本發明的優點在于:本發明開發的涂層由TiAlN和ZrSiN交替沉積的高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN納米結構保護性涂層，其中ZrSiN由ZrN和SiNx兩相組成，由TiAlN與ZrSiN交替沉積在基體上形成納米量級的多層結構涂層，從而豐富了超硬涂層材料研宄領域內容，在工程實踐上提出了一種新型超硬保護涂層材料的設計方法，因此在科學和工程實踐領域均有重要的意義和價值。
[0027]本發明的制備方法，采用物理氣相沉積工藝對TiAlN/ZrSiN納米結構涂層進行制備，具有涂層成本低、工藝簡單可控、沉積速率高和對環境無污染等優點。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明提供的涂層的結構示意圖。