一种TiTaSiB硬质合金涂层、制备方法及硬质涂层刀具与流程

本发明属于材料，涉及一种titasib硬质合金涂层、制备方法及硬质涂层刀具。

背景技术：

1、硬质合金(如wc-co系材料)凭借高硬度、优异耐磨性与良好刚性，被广泛用作切削刀具的基体。为进一步提升其加工服役性能，通常在基体表面沉积硬质防护涂层。近年来，二硼化钛(tib2)系涂层因超高硬度(30gpa~45gpa)、低摩擦系数、优异化学惰性，以及对铝合金、钛合金等有色金属的良好抗粘着性能，成为新一代高性能涂层的重要选择。高质量tibx涂层的制备通常需要采用物理气相沉积(pvd)工艺，且传统工艺需要再450℃~600℃的高温下进行，以保证吸附原子具备足够的表面迁移能力，从而获得致密的微观结构、良好的结晶质量与界面结合强度。

2、然而在该温度区间下沉积涂层，硬质合金基体的力学性能相比于室温或者较低温度有所衰减。经典研究(n. bouaouadja et al., j. de physique, 1986)系统揭示了不同co含量的wc-co合金在升温过程中的力学行为演变：当温度超过300℃~400℃区间时，钴粘结相开始软化并激活晶界滑移机制，导致弹性模量与断裂强度迅速下降；尽管在约400℃附近因co相塑性耗能作用可观察到断裂韧性的短暂峰值，但材料整体承载能力仍持续劣化；一旦温度升至800℃以上，所有力学性能均发生灾难性衰减。近期研究进一步证实，在600℃温度区间以上，传统wc-10co合金的横向断裂强度(trs)和维氏硬度显著降低，其根本原因在于软化的co相无法有效束缚wc硬质相，导致wc-co界面发生滑移与脱粘，进而诱发微孔洞聚集与裂纹萌生。除此之外，长时间高温沉积还可能诱发硬质合金表层脱碳、脆性η相(如co3w3c)析出或残余应力累积，进一步削弱基体的结构完整性与服役可靠性。即便通过添加vc、cr3c2等晶粒抑制剂细化组织、提升高温强度，也无法从根本上规避基体在涂层沉积过程中长时间热暴露协同离子辐照带来的性能损伤。

3、高功率脉冲磁控溅射(hipims)的同步偏压技术，可选择性引出高电离度的金属离子轰击生长表面，通过碰撞产生低能反冲原子以提升原子迁移率，被认为是实现低温致密化的潜在工艺。该技术最早在过渡金属氮化物薄膜体系中得到验证，可在无外部加热的条件下获得致密的涂层组织；但已有研究明确指出，混合直流磁控溅射(dcms)/hipims的低温致密化方法通用性不足，其作用效果与材料体系的成键特性、原子扩散行为相关，针对氮化物的工艺结论无法直接推广至其它化合物类别。

4、综上，当前tib2系涂层的高温制备工艺与硬质合金基体热敏感性之间的矛盾仍未得到有效解决；现有低温重离子辐照技术既未完成从氮化物到硼化物的通用性验证，更未涉及含si掺杂、以ta为重离子源的多元硼化物体系，无法为高性能titasib硬质合金涂层的低温制备提供可行的技术方案。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种titasib硬质合金涂层、制备方法及硬质涂层刀具，本发明提供的制备方法能够实现对等离子体中ta+以及ta2+等特定高能金属离子的选择性利用，以替代传统工艺中由高温基体提供的能量，驱动涂层在不高于150℃的沉积温度条件下实现致密化生长。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种titasib硬质合金涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：在不高于150℃的沉积温度条件下，直流磁控溅射tib2靶材，同时高功率脉冲磁控溅射tasi2靶材，进行同步共沉积，在基体的表面得到所述titasib硬质合金涂层；

4、所述同步共沉积时，施加于所述基体的偏压与所述高功率脉冲磁控溅射的电源同步触发。

5、本发明提供的制备方法旨在解决传统高质量tib2涂层制备过程中因高温(通常450℃~600℃)沉积而导致硬质合金基体力学性能(如弹性模量、断裂强度等)显著劣化的技术瓶颈，从而在保证涂层优异性能的同时，最大限度地保留基体材料的原始力学完整性。本发明提供的制备方法的核心为利用高功率脉冲磁控溅射激发tasi2靶材，并通过调控基体偏压实现对等离子体中ta+以及ta2+等特定高能金属离子的选择性利用，以替代传统工艺中由高温基体所提供的能量，驱动titasib硬质合金涂层在不高于150℃的沉积温度条件下实现致密化生长。

6、在某些实施例中，所述偏压的偏置时间大于0μs。

7、在某些实施例中，所述偏压的偏置时间为100μs~200μs。

8、在某些实施例中，所述沉积温度为100℃~150℃。

9、在某些实施例中，所述基体的钴含量为6wt%~12wt%。

10、在某些实施例中，所述直流磁控溅射tib2靶材的功率为3kw~5kw。

11、在某些实施例中，所述高功率脉冲磁控溅射tasi2靶材的平均功率为1kw~6kw。

12、在某些实施例中，所述高功率脉冲磁控溅射tasi2靶材的脉冲频率为3khz~5khz。

13、在某些实施例中，所述高功率脉冲磁控溅射tasi2靶材的脉冲宽度为60μs~80μs。

14、在某些实施例中，所述基体的偏压的脉冲宽度为350μs~500μs。

15、在某些实施例中，所述基体的偏压为-50v~-70v。

16、在某些实施例中，所述同步共沉积在氩气气氛中进行。

17、在某些实施例中，所述同步共沉淀的工作压力为0.3pa~0.5pa。

18、在某些实施例中，所述同步共沉积的时间为1.5h~2.5h。

19、第二方面，本发明提供了一种titasib硬质合金涂层，所述titasib硬质合金涂层由第一方面所述制备方法制备得到。

20、第三方面，本发明提供了一种硬质涂层刀具，所述硬质涂层刀具包括第一方面所述制备方法制备得到的titasib硬质合金涂层，或包括第二方面所述titasib硬质合金涂层。

21、其中，titasib硬质合金涂层的硬度不利于35gpa，膜基结合力lc2不低于70n。

22、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

23、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

24、本发明提供的制备方法旨在解决传统高质量tib2涂层制备过程中因高温(通常450℃~600℃)沉积而导致硬质合金基体力学性能(如弹性模量、断裂强度等)显著劣化的技术瓶颈，从而在保证涂层优异性能的同时，最大限度地保留基体材料的原始力学完整性。本发明提供的制备方法的核心为利用高功率脉冲磁控溅射激发tasi2靶材，并通过调控基体偏压实现对等离子体中ta+以及ta2+等特定高能金属离子的选择性利用，以替代传统工艺中由高温基体所提供的能量，驱动titasib硬质合金涂层在不高于150℃的沉积温度条件下实现致密化生长。