一种复合CVD涂层及其制备方法与应用与流程

本发明涉及涂层，具体涉及一种复合cvd涂层及其制备方法与应用。

背景技术：

1、涂层是现代刀具制造业的关键技术之一，制造业的技术进步、新材料的不断出现以及对加工效率更苛刻的要求，对刀具涂层提出了越来越高的要求。

2、切削刀具在切削加工过程中承受极大的机械负荷和热负荷、极易产生磨损，致使其使用寿命急剧下降，尤其是在加工一些难加工材料时，其使用寿命的损耗则更为严重。因此，对切削刀具进行表面改性，提高表面性能，对提高切削刀具寿命极其重要。目前，切削刀具常采用表面涂层技术来提高其切削性能和使用寿命，进而使得刀具能够获得优异的综合性能，从而可大幅度提高机械加工效率。

3、化学涂层(cvd)为现今刀具领域应用非常广泛的一种涂层，它是在高温(800-1200度)条件下通过气体化学反应形成的一类涂层，其涂层具有一致的厚度与性能，且能够满足复杂形状的涂层要求。虽然新技术日新月异，但起主要作用的核心涂层成分及结构一直未发生太大变化。现有的主流涂层结构仍然为tin+mt-ticn+过渡层+al2o3+tin。其中的al2o3涂层因其优异的隔热及耐磨性，一直是cvd领域研究的核心和热点。其存在多种相结构，如α相、κ相及γ相等，互有优势。

4、相较于α-al2o3，κ-al2o3硬度稍高，颗粒更细且无缺陷，热导率更低从而对基体的热保护性更强，但κ-al2o3是非稳定相，在高温时会转化为稳定的α-al2o3，同时伴随约7％左右的体积变化，引起涂层结合力变差，涂层提前失效。另外，其耐前刀面磨损能力低于α-al2o3，故κ-al2o3的应用领域受到一定限制。但通过生长过程及工艺的调控优化，正在使其应用范围进一步拓宽，特别是在有水冷(或油冷)加工领域及不锈钢加工领域。现有的工艺优化方案中，包括有tin(四层)+κ-al2o3(五层)的涂层交替生长方案、tialcno+κ-al2o3的多层交替生长方案等，上述优化方案能够一定程度上拓展κ-al2o3的应用领域，改善涂层寿命。但在实际应用中，基于上述优化方案得到的涂层，在切削加工中，涂层结合力仍会变差，影响到涂层寿命。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种复合cvd涂层及其制备方法与应用，涂层结合力较好，耐裂纹扩展能力较强，整体涂层质量较优，涂层使用寿命较长；同时，涂层颗粒较细，涂层表面粗糙度较低，更有利于加工过程的排屑。

2、为达到上述目的，本发明提供的基础方案为：

3、方案一

4、一种复合cvd涂层，包括用于设置在基体表面的由内至外依次设置的打底层、第一间隔层、第一复合层和第二复合层；所述第一复合层由过渡层和第二间隔层组成；所述第二复合层由第三间隔层和表层组成；所述打底层和表层均为tin；所述第一间隔层、第二间隔层和第三间隔分别为mt-ticn、κ-al2o3、tic；所述过渡层包括ht-ticn和tico。

5、本方案的工作原理及优点在于：

6、首先，设置于基体表面的打底层tin，能够有效保证基体与涂层的结合力。设置于打底层之上的第一间隔层mt-ticn，具备较高的硬度，能够作为耐磨层，同时为后续的第一复合层提供充足的支撑。第一复合层由过渡层和第二间隔层组成。其中，过渡层能够较好地保证mt-ticn与κ-al2o3两种涂层之间的结合力，保证各层结合紧密。κ-al2o3具备优秀的隔热性能，能够作为隔热层保护基体，同时，该材料具有较高的硬度，能够作为耐磨层，有助于提高涂层的耐磨性。第二复合层由第三间隔层和表层组成。其中，tic和tin的组合能够有效增加涂层抗裂纹扩展能力；并且，tin材料呈金黄色，能够作为标识层，便于观察涂层磨损情况。

7、特别的是，本方案一种复合cvd涂层，设置有两个复合层(第一复合层和第二复合层)，能够使得整体的涂层结合力较好，耐裂纹扩展能力较强，整体涂层质量较优，涂层使用寿命较长。具体地，在第一复合层中，设置的过渡层包括ht-ticn和tico，κ-al2o3则基于过渡层进行生长。相较于常规涂层设计方案，常规方案中对于al2o3的应用大多局限于设置为单一涂层(如现有的主流涂层结构)或直接利用κ-al2o3能够在tin、tic及ticn表面上直接成核生长的特性，将κ-al2o3与tin、tic或ticn直接组合(如现有的工艺优化方案)，此类常规方案虽然应用κ-al2o3实现了涂层耐磨隔热性的优化，但涂层扔易于提前失效。实际上，现有方案均没有关注到κ-al2o3与其余界面之间的接触问题，ticn与κ-al2o3界面形成孔洞，会大幅影响涂层质量。本方案则基于此问题，特别改进了过渡层和κ-al2o3的组成，由tico与κ-al2o3的形核层相接，可有效减少界面孔洞，增强涂层结合力，涂层质量更佳。在第二复合层中，tic和tin的组合，相较于传统的单层tin涂层，能够有效降低涂层颗粒尺寸，增加涂层抗裂纹扩展能力，降低涂层表面粗糙度以利于加工过程的排屑。

8、方案二

9、一种复合cvd涂层的制备方法，用于制备如方案一所述的一种复合cvd涂层；包括以下步骤：

10、步骤1：选择基体材料；将基体材料放置到化学气相沉积装置中进行涂层沉积；

11、步骤2：在基体材料上沉积一层打底层；

12、步骤3：在打底层上沉积一层第一间隔层；在第一间隔层上依次沉积第一复合层和第二复合层。

13、本方案的效果及优点在于：基于化学气相沉积法完成涂层的依次沉积，制备方法简单，易于操作。

14、方案三

15、一种复合cvd涂层的应用，将如方案一所述的一种复合cvd涂层应用于切削刀具的表面。

16、本方案的效果及优点在于：采用本涂层作为切削刀具的表面涂层，能够大幅增强切削刀具的耐磨性能，延长切削刀具的使用寿命，并且，由于本涂层的涂层颗粒较细，涂层表面粗糙度较低，更有利于加工过程的排屑，有助于提升切削质量。

技术特征：

1.一种复合cvd涂层，其特征在于，包括用于设置在基体表面的由内至外依次设置的打底层、第一间隔层、第一复合层和第二复合层；所述第一复合层由过渡层和第二间隔层组成；所述第二复合层由第三间隔层和表层组成；所述打底层和表层均为tin；所述第一间隔层、第二间隔层和第三间隔分别为mt-ticn、κ-al2o3、tic；所述过渡层包括ht-ticn和tico。

2.根据权利要求1所述的一种复合cvd涂层，其特征在于，所述第一复合层中，过渡层与第二间隔层交替叠加，形成(过渡层+κ-al2o3)x的交替复合涂层，并以第二间隔层作为叠加最顶层。

3.根据权利要求2所述的一种复合cvd涂层，其特征在于，所述第二复合层中，第三间隔层与表层交替叠加，形成(tic+tin)y的交替复合涂层，并以表层作为叠加最顶层。

4.根据权利要求1所述的一种复合cvd涂层，其特征在于，涂层厚度为3～18μm。

5.根据权利要求3所述的一种复合cvd涂层，其特征在于，x的取值为4～12；y的取值为2～5。

6.根据权利要求3所述的一种复合cvd涂层，其特征在于，所述打底层的厚度为0.3～2μm；所述第一间隔层的厚度为1～10μm；单层过渡层的厚度为0.1～0.3μm，单层κ-al2o3的厚度为02～0.4μm；第三间隔层和表层的单一组合厚度为0.2～0.5μm。

7.一种复合cvd涂层的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-6任一项所述的一种复合cvd涂层；包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种复合cvd涂层的制备方法，其特征在于，打底层的沉积温度设为900～1000℃，沉积压力设为100～500mbar；第一间隔层的沉积温度设为800～920℃，沉积压力设为60～200mbar；第一复合层的沉积温度设为950～1050℃，沉积压力设为60～120mbar；第二复合层的沉积温度设为950～1050℃，沉积压力设为200～800mbar。

9.根据权利要求7所述的一种复合cvd涂层的制备方法，其特征在于，在沉积第一复合层过程中，在进行κ-al2o3生长时，先在h2、co2、alcl3的气体条件下进行沉积，间隔一预设时间后，再加入h2s，一起进行沉积。

10.一种复合cvd涂层的应用，其特征在于，将如权利要求1-6任一项所述的一种复合cvd涂层应用于切削刀具的表面。

技术总结
本发明涉及涂层技术领域，公开了一种复合CVD涂层及其制备方法与应用，其涂层包括用于设置在基体表面的由内至外依次设置的打底层、第一间隔层、第一复合层和第二复合层；所述第一复合层由过渡层和第二间隔层组成；所述第二复合层由第三间隔层和表层组成；所述打底层和表层均为TiN；所述第一间隔层、第二间隔层和第三间隔分别为MT‑TiCN、κ‑Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、TiC；所述过渡层包括HT‑TiCN和TiCO。本发明提供的涂层，其结合力较好，耐裂纹扩展能力较强，整体涂层质量较优；同时，涂层颗粒较细，涂层表面粗糙度较低，更有利于加工过程的排屑。

技术研发人员：李洪林,谢明强,吴春涛,薛峰,白兰,汪辉
受保护的技术使用者：成都工具研究所有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15