一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种TiB2/AlTiN复合涂层，所述TiB2/AlTiN复合涂层是以TiB2陶瓷靶和AlTi溅射靶为原料，通过多靶磁控溅射在基体上交替溅射沉积形成多层结构的TiB2/AlTiN复合涂层。所述TiB2/AlTiN复合涂层中AlTiN层与TiB2层的总层数为10～100层，调制周期的厚度为0.1～1μm。本发明专利技术的制备的TiB2/AlTiN复合涂层表现出了较高的硬度，良好的韧性和抗高温氧化性。本发明专利技术的磁控溅射双靶共沉积技术操作方便，无需后处理等工艺，制备周期短，成本低，可复现性好，应用范围广，可实现工业化大生产。

TiB2/AlTiN composite coating, preparation method and application thereof

The invention discloses a TiB2/AlTiN composite coating, the TiB2/AlTiN composite coating is TiB2 ceramic target and AlTi sputtering target as raw material by magnetron sputtering on the substrate alternating sputtering deposition forming TiB2/AlTiN multilayer composite coating. The total layer number of the AlTiN layer and the TiB2 layer in the TiB2/AlTiN composite coating is 10~100 layers, and the thickness of the modulation period is from 0.1 to 1 mu m. The TiB2/AlTiN composite coating prepared by the present invention exhibits higher hardness, good toughness and high temperature resistance to oxidation. The magnetron sputtering double target codeposition technology has the advantages of convenient operation, no need of post-processing, etc. the preparation cycle is short, the cost is low, the reproducibility is good, the application range is wide, and the industrialized production can be realized.

【技术实现步骤摘要】
一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用
本专利技术属于表面防护相关涂层材料
，更具体地，涉及一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用。
技术介绍
随着社会的发展和工业技术的进步，工业领域对材料的性能提出了越来越高的要求，在很多工程应用场合要求材料具有优异的综合性能；不仅要求其具有高的硬度、耐腐蚀性能，还要求其具有低的摩擦系数、良好的高温稳定性等。为满足日益复杂多样的工程需求，在材料表面涂覆一层硬质涂层，以提高材料的综合性能的保护性涂层应运而生。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的手段，目前在机械加工，特别是在金属切削中占有重要的地位。其发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。二硼化钛(TiB2)作为过渡族金属硼化物，具有高硬度、高熔点、高的耐磨性和耐腐蚀性、良好的电导率和热导率、化学稳定性优良等一系列优异的理化性能，是一种具有优良的结构性能和功能性能的先进陶瓷材料。然而由于TiB2涂层韧性较差、抗高温氧化性能不够理想，限制了其在刀具切削领域的应用。因此，如何在保持TiB2优异性能的同时，降低其残余应力和热导率，提高其抗冲击韧性，获得硬度高、韧性好、附着力强、纵向热导率低等综合性能优的TiB2涂层是一个重要的科学问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种TiB2/AlTiN复合涂层，该复合涂层具有高硬度、高耐摩擦性能、低应力、良好韧性和抗高温氧化性能及各向异性热导率等综合特性优异。本专利技术的另一目的是提供一种上述TiB2/AlTiN复合涂层的制备方法。本专利技术的再一目的是提供上述TiB2/AlTiN复合涂层的应用。本专利技术上述目的通过以下技术方案予以实现：一种TiB2/AlTiN复合涂层，所述TiB2/AlTiN复合涂层是以TiB2陶瓷靶和AlTi溅射靶为原料，通过多靶磁控溅射在基体上溅射沉积形成交替的TiB2层和AlTiN层。优选地，所述基体为单晶硅片、玻璃、高速钢或硬质合金。优选地，所述TiB2/AlTiN复合涂层的层数为10～100层，所述AlTiN层和TiB2层的调制周期厚度为0.1～1μm。上述TiB2/AlTiN复合涂层的制备方法，包括如下具体步骤：S1.清洗基体：将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇以15～30kHz分别进行超声清洗10～20min，然后用去离子水漂洗，再用纯度≥99.5％的普氮吹干；S2.抽真空和离子束刻蚀清洗镀膜腔体：将超声清洗后的基体置于真空室的工件支架上，抽至真空度5.0×10-3～8.0×10-4Pa，随后开启离子源，向离子源通入80～100sccm氩气，设置离子源的功率为0.9kW，设置工件支架的偏压为-300～-500V，刻蚀清洗过程持续20～30min；S3.离子束刻蚀基体：将基体至于离子源前方，设置偏压为-300～-500V，工作时间为15～20min；S4.沉积TiB2/AlTiN多层涂层：将靶材AlTi靶和TiB2靶安装进设备，采用磁控溅射的方法，通入氩气80～100sccm，控制真空室气压0.56～0.7Pa，开启TiB2靶电源并设置电源参数、基体和支架参数，起辉，进行预溅射后开始溅射沉积TiB2层，10～60min后关闭TiB2靶电源，停止通入氩气，改为通入氮气80～100sccm，控制真空室气压0.56～0.7Pa，开启AlTi靶电源并设置电源参数开始溅射沉积AlTiN层，沉积时间为10～60min，如此反复交替沉积，沉积时间控制在3小时，沉积结束关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层，即为TiB2/AlTiN复合涂层。优选地，步骤S1中所述基体为单晶硅片、玻璃、高速钢或硬质合金。优选地，步骤S4中所述基体和支架参数为：基体偏压-100～-300V，支架自转2～3rpm/min，公转2～5rpm/min，设置沉积温度300℃；所述电源参数为：频率80kHz、功率3～4kW。优选地，步骤S4中所述靶材与基体的距离为6～10cm。优选地，步骤S4中所述交替沉积的次数为5～50次。上述TiB2/AlTiN复合涂层在金属机械零部件、精密模具、精密传动机械设备、轴承、电子产品、装饰产品、刀模具及材料的表面防护领域中的应用。本专利技术的原理：本专利技术方法形成交替多层是通过支架旋转以及交替打开关闭TiB2靶和AlTi靶电源实现的，当样品正对着TiB2陶瓷靶时，基体沉积一层TiB2陶瓷层；正对着柱状AlTi靶时，沉积一层AlTiN层；旋转速度快慢决定了每层TiB2陶瓷层和AlTiN层的厚度。AlTiN涂层具有良好的抗磨损、抗氧化性能及低的热导率。这是由于AlTiN热导率低，TiB2热导率高，交替多层后可实现横向高热导率纵向低热导率，AlTiN涂层优良的抗氧化性能可归功于高温时涂层表面的部分Al氧化后，在切屑/刀具界面形成Al2O3薄膜，同时形成的Al2O3可是把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术制备的层结构的TiB2/AlTiN复合涂层，在传统的单层TiB2涂层中引入具有良好抗高温氧化性能和韧性的AlTiN，通过对衬底支架旋转速度的控制，形成TiB2陶瓷层与AlTiN层周期性交替多层结构，在降低残余应力，增强涂层韧性的同时，增强涂层的柔韧性和附着力，改善涂层抗摩擦磨损性能和热稳定性能，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，如机械零部件、刀模具等产品表面的防护。2.本专利技术通过改变涂层中的TiB2陶瓷层和AlTiN层的单层膜厚和涂层周期，调节涂层的显微结构、显微硬度性能，以适应不同的加工对象和切削条件。操作方便，工艺简单，制备周期短，成本低，便于大规模工业化生产。3.本专利技术制备层结构的TiB2/AlTiN复合涂层，其具有纵向低热导率、横向高热导率的各向异性热导功能，良好的抗磨损和抗高温氧化性能；此外，多层结构设计可提高涂层与基体的结合力、涂层界面韧性和抗裂纹扩展能力，同时降低了脆性，提高了柔韧性和承载力，有利于合成更厚的适合于实际应用的表面强化涂层系统。附图说明图1为本专利技术设计TiB2/AlTiN多层结构涂层的显微结构示意图。图2为实施例1中的TiB2/AlTiN多层结构涂层的摩擦系数。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例11.清洗基体：将经抛光处理后的WC-Co硬质合金基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇以30kHz分别进行超声清洗10min，然后用去离子水清洗，再用纯度≥99.5％的氮气吹干。2.抽真空和离子束刻蚀清洗腔体及基体：离子镀膜机安装TiB2平面靶和AlTi柱状靶，用高功率吸尘器清洗镀膜室。将超声清洗后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiB2/AlTiN复合涂层，其特征在于，所述TiB2/AlTiN复合涂层是以TiB2陶瓷靶和AlTi溅射靶为原料，通过多靶磁控溅射在基体上溅射沉积形成交替的TiB2层和AlTiN层。

【技术特征摘要】
1.一种TiB2/AlTiN复合涂层，其特征在于，所述TiB2/AlTiN复合涂层是以TiB2陶瓷靶和AlTi溅射靶为原料，通过多靶磁控溅射在基体上溅射沉积形成交替的TiB2层和AlTiN层。2.根据权利要求1所述的TiB2/AlTiN复合涂层，其特征在于，所述基体为单晶硅片、玻璃、高速钢或硬质合金。3.根据权利要求1所述的TiB2/AlTiN复合涂层，其特征在于，所述TiB2/AlTiN复合涂层的层数为10～100层，所述AlTiN层和TiB2层的调制周期厚度为0.1～1μm。4.一种根据权利要求1-3任一项所述的TiB2/AlTiN复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：S1.清洗基体：将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇以15～30kHz分别进行超声清洗10～20min，然后用去离子水漂洗，再用纯度≥99.5％的普氮吹干；S2.抽真空和离子束刻蚀清洗镀膜腔体：将超声清洗后的基体置于真空室的工件支架上，抽至真空度5.0×10-3～8.0×10-4Pa，随后开启离子源，向离子源通入80～100sccm氩气，设置离子源的功率为0.9kW，设置工件支架的偏压为-300～-500V，刻蚀清洗过程持续20～30min；S3.离子束刻蚀基体：将基体至于离子源前方，设置偏压为-300～-500V，工作时间为15～20min；S4.沉积TiB2/AlTiN多层涂层：将靶材AlTi靶和TiB2靶安装进设备，采用磁控溅射的方法，通入氩气80～100sccm...

【专利技术属性】
技术研发人员：代伟，高翔，王启民，刘凡，费加喜，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44