一种梯度高强韧耐高温TiAlN涂层的制备方法与流程

本发明涉及硬质合金涂层领域，具体涉及一种梯度高强韧耐高温tialn涂层的制备方法。

背景技术：

1、在航空航天、高速切削、能源装备等高温严苛服役工况下，金属基体部件长期承受高温氧化、剧烈摩擦磨损与交变热应力，表面防护涂层是提升构件使用寿命的核心手段。传统tin、crn等单层硬质涂层耐高温氧化性能差，550℃左右即发生失效，无法适配高温工况需求。氮铝钛（tialn）涂层凭借优异的高温抗氧化性、高硬度与耐磨性能，现已成为高温防护涂层主流材料，其高温抗氧化温度可达800-900℃，远优于传统氮化钛涂层。

2、目前市面上主流刀具防护用氮铝钛涂层均采用均质成分制备工艺，涂层从底部到表层元素配比无变化，成分结构单一固定。均质氮铝钛涂层存在固有性能短板：若整体铝含量偏低，涂层韧性尚可，但表层硬度不足、耐高温性能差，刀具高温切削时磨损速度快；若整体提高铝含量提升硬度与耐热性，则涂层整体脆性变大，膜基界面应力过高，加工过程中极易出现涂层开裂、剥落、崩边问题。现有均质氮铝钛涂层无法兼顾韧性与耐高温高硬两大核心性能，刀具综合加工性能遭遇技术瓶颈，难以适配当下高速干式切削、难加工材料切削的严苛工况。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种梯度高强韧耐高温tialn涂层的制备方法。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种梯度高强韧耐高温tialn涂层，所述涂层中al/(al+ti)原子比沿涂层厚度方向呈连续梯度变化，底层的al/(al+ti)原子比为0.45-0.50，中间层的al/(al+ti)原子比为0.45-0.55，表层的al/(al+ti)原子比为0.50-0.60；所述涂层中，各元素的原子百分比分别为：ti：15%-25%，al：15%-25%，n：55%-70%。

4、优选地，所述涂层总厚度为1-2μm，其中底层厚度为0.05-0.3μm，中间层厚度为0.1-0.4μm，表层厚度为0.05-0.3μm。

5、本发明还公开了一种梯度高强韧耐高温tialn涂层的制备方法，包括以下步骤：

6、s1：将基体清洗干燥后装入真空镀膜设备的炉腔中，抽真空至本底真空度≤5×10-3pa，加热基体至沉积温度；

7、s2：通入工作气体，开启tial合金靶，采用多弧离子镀方法，在基体表面沉积tialn涂层；

8、所述tialn涂层的沉积过程中，通过动态改变基体负偏压，控制涂层中al元素的梯度分布；

9、动态改变基体负偏压的具体方式为：

10、沉积初始阶段，控制基体负偏压为-140v至-160v，沉积底层低al含量tialn层；

11、沉积中间阶段，将基体负偏压连续或阶梯式降低至-80v至-120v，沉积中间层al含量梯度过渡层；

12、沉积末期阶段，控制基体负偏压为-40v至-80v，沉积表层高al含量tialn层；

13、s3：沉积结束后，冷却至室温，取出涂覆有梯度高强韧耐高温tialn涂层的基体。

14、优选地，步骤s2中，所述基体负偏压从初始值至终值的变化速率为0.5-5v/min，沉积总时长为30-120 min。

15、优选地，步骤s2中，所述基体负偏压的调节方式为线性连续变化或阶梯式分段变化。

16、优选地，当采用阶梯式分段变化时，每一阶梯的偏压变化幅度不超过20v，相邻阶梯之间设置1-5min的稳定过渡时间。

17、优选地，所述tial合金靶的al原子百分比为30%-70%。

18、优选地，步骤s2中，所述沉积过程中反应气体为氮气，氮气流量为100-300sccm，工作气体为氩气，氩气流量为20-80 sccm，沉积温度为400-600℃，靶电流为150-200a。

19、优选地，步骤s1中，在沉积涂层之前，还包括采用ar离子刻蚀清洗基体表面的步骤：通入氩气，控制偏压为-300v至-500v，刻蚀时间5-15 min。

20、本发明的有益效果是：本

21、（1）发明通过动态改变基体负偏压工艺参数，即可实现tialn涂层中al元素的连续梯度分布，无需更换靶材、无需调整气体流量，无需新增任何复杂设备。与传统多靶材切换或多步沉积工艺相比，操作简便，设备改造成本低，易于实现工业化生产。

22、（2）与现有技术中通过靶材切换获得的阶梯式非连续梯度不同，本发明利用负偏压的连续变化实现al元素的连续梯度分布，涂层内部无成分突变的界面，消除了界面应力集中，涂层整体结合力显著提高。

23、（3）本发明通过结构设计实现底层低al含量（高韧性、高结合力）+表层高al含量（高硬度、耐高温） 的性能分区，底层保障膜基结合力和抗冲击韧性，表层保障切削过程中的耐磨性和抗氧化性，解决了传统均质tialn涂层强韧性与耐热性无法兼容的行业难题。

1.一种梯度高强韧耐高温tialn涂层，其特征在于，所述涂层中al/(al+ti)原子比沿涂层厚度方向呈连续梯度变化，底层的al/(al+ti)原子比为0.45-0.50，中间层的al/(al+ti)原子比为0.45-0.55，表层的al/(al+ti)原子比为0.50-0.60；

2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层总厚度为1-2μm，其中底层厚度为0.05-0.3μm，中间层厚度为0.1-0.4μm，表层厚度为0.05-0.3μm。

3.一种梯度高强韧耐高温tialn涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述基体负偏压从初始值至终值的变化速率为0.5-5v/min，沉积总时长为30-120 min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述基体负偏压的调节方式为线性连续变化或阶梯式分段变化。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，当采用阶梯式分段变化时，每一阶梯的偏压变化幅度不超过20v，相邻阶梯之间设置1-5min的稳定过渡时间。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述tial合金靶的al原子百分比为30%-70%。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述沉积过程中反应气体为氮气，氮气流量为100-300sccm，工作气体为氩气，氩气流量为20-80 sccm，沉积温度为400-600℃，靶电流为150-200a。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，在沉积涂层之前，还包括采用ar离子刻蚀清洗基体表面的步骤：通入氩气，控制偏压为-300v至-500v，刻蚀时间5-15min。