一种钛合金切削用的PVD纳米多层涂层金属陶瓷及其制备方法与流程

本发明涉及金属陶瓷材料，尤其是一种钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、钛合金具有比强度高、抗腐蚀性能好、断裂韧性优异等性能，被广泛运用于核电设备、冶金、航空航天等领域。但钛合金的切削加工性能较差，在加工过程中通常会存在切削温度高、工件表面出现振纹、刀具易粘刀及磨损过快等问题，从而影响表面加工质量。金属陶瓷兼具陶瓷的高硬度、高强度、高耐磨损和金属的韧性、良好导热性等优良的综合力学性能，成为钛合金切削刀具的理想候选材料。但该材料作为刀具最主要的问题是使用寿命较短。机械制造业对钛合金的加工质量和生产效率要求不断提高，金属陶瓷在提高刀具寿命和加工质量方面有着巨大的优势，所以对金属陶瓷进行分析和改进是必不可少的。craln涂层具有优良的抗高温氧化性能，可作为金属陶瓷刀具加工钛合金时延缓刀具损坏的保护屏障，但在高速切削时易出现剥落或脱离的现象，其单一的保护性能也难以达到制造出形状精度更高的钛合金的要求。

技术实现思路

1、针对当前钛合金切削用的金属陶瓷存在的涂层易剥落或脱离，刀具使用寿命短的问题，本发明提供一种钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷及其制备方法。

2、本发明提供的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷，以ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconial金属陶瓷作为基体，并在基体上制备两种不同涂层交替沉积的craln/tialn纳米多层复合涂层。

3、所述钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，步骤如下：

4、s1、称取原料ti(c，n)、tac、mo2 c、wc、crfeconial粉末，各原料的质量百分比：58％ti(c，n)、6％ tac、12％ mo2 c、6％ wc、18％ crfeconial；所有原料混合后进行球磨。

5、s2、球磨后将卸载下来的混合浆料采用400目筛过滤，干燥后再次过筛，在过筛后的粉末中加入丁腈橡胶模压剂，再次干燥过筛。

6、s3、将过筛后的粉末压制成坯块，然后进行低压烧结，加压方式为氩气，烧结压力为5mpa，烧结温度为1440℃，得到ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconial金属陶瓷基体。

7、s4、对ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconial金属陶瓷基体表面进行清洁处理。

8、s5、将清洁处理后的ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconial金属陶瓷基体装入涂层沉积室，先进行二次清洁，然后在基体表面交替制备craln和tialn涂层，在氩气保护气氛中冷却，即得到pvd纳米多层涂层金属陶瓷。

9、优选的是，步骤s1中，球磨过程使用硬质合金小球进行球磨，研磨介质为汽油，研磨速度为56r/min，球磨时间3d。

10、优选的是，步骤s3中，压制成坯块的方法是：将粉末装在压模内，通过压机将其加工成坯块，压制压力为100mpa，刀片型号为cnmg120408，强度条尺寸为6.5×5.25×20mm。

11、优选的是，步骤s4的清洁处理方法是：水磨砂纸研磨，抛光，乙醇超声波清洗表面污物，然后喷砂处理，烘干。

12、优选的是，步骤s5中，将基体装入涂层沉积室，保持基体和靶材之间的距离为15mm～50mm。二次清洁方法是：在真空度为5.0×10-3mpa时，利用氩离子轰击基体表面并进行60-80分钟的加热。在基体表面交替制备craln和tialn涂层的方法是：在450℃的氮气氩气氛围中利用纯度为99.99％、成分为cr50al50和ti50al50的溅射靶在金属陶瓷基体表面交替制备craln和tialn涂层，涂层总厚度为0.8～1.6μm。

13、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

14、(1)本发明结合第一性原理的计算，通过粉末冶金方法，向ti(c，n)基金属陶瓷中加入不同含量的mo、w、ta，选择不同成分的高熵合金作为粘结相，制备出了新型的ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconial金属陶瓷基体。该金属陶瓷具有较高的断裂韧性和硬度，原因是高熵合金具有多主元素的高混合熵，这将导致缓慢的协同扩散和晶格畸变，显著抑制晶粒生长。

15、(2)本发明采用多层复合的结构设计方法，制备两种不同涂层交替沉积的craln/tialn纳米多层复合涂层；该涂层致密光滑、晶粒细小、具有典型的柱状结构，与ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconia金属陶瓷基体匹配良好，craln与tialn的界面处呈现共格外延生长，形成的共格界面会阻碍位错运动，从而使涂层发生强化效应，具有较高结合力，可有效延长刀具的使用寿命。

16、(3)以ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconial金属陶瓷作为基体，其表面生长的craln/tialn涂层表面粗糙度小、表面质量好，在800℃摩擦过程中，涂层上的颗粒较难脱落，表现出优异的高温摩擦性能。

17、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷，其特征在于，以ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconial金属陶瓷作为基体，在基体上制备两种不同涂层交替沉积的craln/tialn纳米多层复合涂层。

2.一种如权利要求1所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤如下：

3.如权利要求2所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1中，各原料组分的质量百分比如下：

4.如权利要求2所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1中，球磨过程使用硬质合金小球进行球磨，研磨介质为汽油，研磨速度为56r/min，球磨时间3d。

5.如权利要求1所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s2中，采用400目筛过滤混合料浆。

6.如权利要求2所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s3中，压制成坯块的方法是：将粉末装在压模内，通过压机将其加工成坯块，压制压力为100mpa，刀片型号为cnmg120408，强度条尺寸为6.5×5.25×20mm。

7.如权利要求1所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s4的清洁处理方法是：水磨砂纸研磨，抛光，乙醇超声波清洗表面污物，然后喷砂处理，烘干。

8.如权利要求2所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s5中，将ti7ta1/6w1/6mo2/3cn-crfeconial金属陶瓷基体装入涂层沉积室，保持基体和靶材之间的距离为15mm～50mm。

9.如权利要求8所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s5中，二次清洁方法是：在真空度为5.0×10-3mpa时，利用氩离子轰击基体表面并进行60-80分钟的加热。

10.如权利要求9所述的钛合金切削用的pvd纳米多层涂层金属陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s5中，在基体表面交替制备craln和tialn涂层的方法是：在450℃的氮气氩气氛围中利用纯度为99.99％、成分为cr50al50和ti50al50的溅射靶在金属陶瓷基体表面交替制备craln和tialn涂层，涂层总厚度为0.8～1.6μm。

技术总结
本发明公开了一种钛合金切削用的PVD纳米多层涂层金属陶瓷，其制备方法步骤如下：S1、称取原料Ti(C，N)、TaC、Mo<subgt;2</subgt;C、WC、CrFeCoNiAl粉末，混合后进行球磨；S2、将混合浆料过滤，干燥后再次过筛，在过筛后的粉末中加入丁腈橡胶模压剂，再次干燥过筛；S3、将过筛后的粉末压制成坯块，然后低压烧结，烧结温度1440℃，得到Ti<subgt;7</subgt;Ta<subgt;1/6</subgt;W<subgt;1/6</subgt;Mo<subgt;2/3</subgt;CN‑CrFeCoNiAl金属陶瓷基体；S4、对Ti<subgt;7</subgt;Ta<subgt;1/6</subgt;W<subgt;1/6</subgt;Mo<subgt;2/3</subgt;CN‑CrFeCoNiAl金属陶瓷基体表面进行清洁处理；S5、将基体装入涂层沉积室，先进行二次清洁，然后在基体表面交替制备CrAlN和TiAlN涂层，冷却，即得到PVD纳米多层涂层金属陶瓷。该涂层刀具晶粒细小致密，表面纳米硬度和结合力均较高，并具有优异的高温摩擦性能，有效延长了钛合金切削刀具的使用寿命。

技术研发人员：恽剑,熊计
受保护的技术使用者：深圳市海洲数控机械刀具有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14