一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含B纳米多层涂层、制备方法及其应用

本发明涉及高速干式切削用涂层，具体涉及一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层、制备方法及其应用。

背景技术：

1、钛合金是国民生产生活中重要的金属材料，在航空航天、国防装备、汽车制造以及医疗器械等领域有着广泛的应用。由于其较低的热导率、较高的化学活性以及加工硬化特性，钛合金在切削时具有热-力强耦合效应，极大加剧了切削刀具的磨损。而现代机械加工业在经济效益和环保压力的共同推动下，正在积极探寻无润滑条件下的高速切削技术。硬质涂层作为降低切削刀具磨损并提高使用寿命的重要技术，是现代机械加工业的一块重要拼图。国内外学界、产业界对钛合金在无润滑条件下的高速切削已展开了一系列研究和应用工作，其中欧洲、日本的企业由于起步早、研究深入等原因，在硬质涂层的装备制造、理论研究和实际应用等诸多方面走在了世界前列，而我国的刀具制造和涂层行业目前仍处于追赶的状态。

2、在高速干式切削强热力耦合作用下，涂层刀具刃口处温度急剧升高，涂层发生相转变，硬度急剧下降，切削力和摩擦系数增加，导致涂层刀具磨损加剧，进而导致刀具高速干式切削式寿命降低。特别的，针对钛合金高速干式切削，在绝热剪切变形下产生锯齿形切屑，这会导致切削力和应力的快速波动，从而在钛合金材料的切削过程中对刀具产生高频周期性冲击。因此，在ti-6al-4v合金的高速切削过程中，高频循环冲击诱发的疲劳断裂以及严重的磨损、粘附、氧化和扩散被认为是刀具的主要磨损机制。因此，其对其对硬质涂层提出了更高要求，如高结合强度、高热稳定性、高氧化抗性和高疲劳抗性。目前国内应用广泛的高铝涂层如altin在高温性能和力学性能方面存在不足，切削时易疲劳、剥落和快速磨损，难以满足其要求。

3、鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有的altin涂层抗冲击疲劳性能差、高温硬度低、高速干式切削加工钛合金与切屑黏附，易造成涂层高速干式切削过程中涂层软化、黏着、剥落，磨损过大，进而导致刀具切削时寿命严重降低的问题，提供了一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层、制备方法及其应用。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层，所述涂层为altin纳米子层与altibn纳米子层交替沉积而成的3～10层的多层结构，所述涂层中b元素以非晶bn相存在，所述altibn纳米子层为非晶bn包裹(al,cr)n纳米晶的复合结构，所述altin纳米子层为柱状结构，所述altibn纳米子层和altin纳米子层在两个子层接触界面以共格/半共格形式交替生长。

3、所述altibn纳米子层与altin纳米子层厚度比为3～1：1，涂层厚度为2～4μm。

4、所述多层涂层成分包括al 32.3at％，ti17.8 at％，b5.0 at％和n 44.9at％。

5、本发明还公开上述抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层的制备方法，包括以下步骤：

6、s1，将研磨抛光后的硬质合金试样进行超声清洗，用去离子水冲洗，烘干备用；

7、s2，将步骤s1中烘干后的硬质合金刀片加热，抽真空，通入ar气，开启ti靶，在炉腔内离化大量的ti+和电子，撞击ar，形成高能量高密度的ar+对基材表面进行离子轰击，离子刻蚀清洗；

8、s3，待步骤s2中的离子刻蚀结束后，保持沉积温度和炉腔的压强不变，开启cr靶，沉积cr第一粘结层；

9、s4，待步骤s3中cr第一粘结层沉积完成后，保持沉积温度不变，关闭ar气，通入n2气，沉积crn第二粘结层；

10、s5，待步骤s4中crn第二粘结层完成后，保持沉积温度不变，开启alti靶，进一步增加n2气通入量，沉积altin过渡层；

11、s6，待步骤s5中altin过渡层沉积完成后，保持沉积温度不变，沉积altin/altibn纳米多层涂层功能层，首先开启alti靶，沉积altin子层；随后关掉alti靶，开启altib靶，进一步增加n2气通入量，沉积altibn子层，如此交替3～10次。

12、所述步骤s2中加热温度为480℃，抽真空后真空度为5×10-5pa，ar气流量为200～600sccm，离子刻蚀的负偏压为-200v，刻蚀时间60min。

13、所述步骤s3中基体偏压为-60～-80v，金属cr靶的靶材电流为100～130a，沉积时间为10～20min。

14、所述步骤s4中通入n2气后压强为2～4pa，n2流量为200～600sccm，沉积时间为20～40min。

15、所述步骤s5中alti靶的al：ti原子比为70：30，增加n2气通入量的压强为3～5pa，n2流量为450～850sccm，沉积时间为100～200min。

16、所述步骤s6中alti靶的al：ti原子比为70：30，增加n2气通入量的压强为3～5pa，n2流量为450～850sccm，沉积时间为10～80min；altib靶的al：ti：b原子比为60：30：10，增加n2气通入量后的压强为4～6pa，n2流量为500～900sccm，沉积时间为2～15min。

17、与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明的含b纳米多层涂层与现有的涂层相比，含b的纳米多层复合涂层中形成非晶bn包裹(al,ti)n纳米晶的复合结构，细化晶粒，提高涂层硬度和韧性；altin子层和altibn子层界面可抑制裂纹扩展，提高其抗冲击疲劳性能；纳米复合结构的altibn子层和柱状结构的altin子层以共格/半共格形式存在，提高其高温硬度；复合涂层兼具较高的硬度、抗冲击疲劳以及高温硬度等优点。此外，利用本发明的b的纳米多层复合涂层在高速干式切削时，在高的温度区间(800℃～1000℃)内在刀具表面可原位形成具有润滑作用的含b摩擦氧化膜，降低钛合金切屑在复合涂层表面的粘附与黏着，降低涂层因切屑发生的粘附与热疲劳，可显著改善涂层刀具的高速干式切削性能。。

技术特征：

1.一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层，其特征在于，所述涂层为altin纳米子层与altibn纳米子层交替沉积而成的3～10层的多层结构，所述涂层中b元素以非晶bn相存在，所述altibn纳米子层为非晶bn包裹(al,cr)n纳米晶的复合结构，所述altin纳米子层为柱状结构，所述altibn纳米子层和altin纳米子层在两个子层接触界面以共格/半共格形式交替生长。

2.如权利要求1所述的一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层，其特征在于，所述altibn纳米子层与altin纳米子层厚度比为3～1：1，涂层厚度为2～4μm。

3.如权利要求1所述的一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层，其特征在于，所述多层涂层成分包括al 32.3at％，ti17.8 at％，b5.0 at％和n44.9at％。

4.一种如权利要求1～3任一项所述的抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中加热温度为480℃，抽真空后真空度为5×10-5pa，ar气流量为200～600sccm，离子刻蚀的负偏压为-200v，刻蚀时间60min。

6.如权利要求4所述的一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中基体偏压为-60～-80v，金属cr靶的靶材电流为100～130a，沉积时间为10～20min。

7.如权利要求4所述的一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中通入n2气后压强为2～4pa，n2流量为200～600sccm，沉积时间为20～40min。

8.如权利要求4所述的一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中alti靶的al：ti原子比为70：30，增加n2气通入量的压强为3～5pa，n2流量为450～850sccm，沉积时间为100～200min。

9.如权利要求4所述的一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中alti靶的al：ti原子比为70：30，增加n2气通入量的压强为3～5pa，n2流量为450～850sccm，沉积时间为10～80min；altib靶的al：ti：b原子比为60：30：10，增加n2气通入量后的压强为4～6pa，n2流量为500～900sccm，沉积时间为2～15min。

10.一种如权利要求1～3任一项所述的抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含b纳米多层涂层在提高刀具的抗冲击疲劳性能和高速干式切削寿命中的应用。

技术总结
本发明涉及高速干式切削用涂层技术领域，具体涉及一种抗冲击疲劳、高速干式切削加工钛合金用的含B纳米多层涂层、制备方法及其应用，所述涂层为AlTiN纳米子层与AlTiBN纳米子层交替沉积而成的3～10层的多层结构，所述涂层成分包括Al 32.3at％，Ti17.8at％，B5.0at％和N 44.9at％。含B的AlTiN/AlTiBN纳米多层复合涂层中形成非晶BN包裹(Al,Ti)N纳米晶的复合结构，细化晶粒，提高涂层硬度和韧性；同时，AlTiN子层和AlTiBN子层界面可抑制裂纹扩展，提高其抗冲击疲劳性能；最后，纳米复合结构的AlTiBN子层和柱状结构的AlTiN子层以共格/半共格形式存在，提高其高温硬度；B元素在高速干式切削过程中可以优先形成润滑的摩擦氧化膜，减少钛合金切屑在涂层刀具前刀面和后刀面的黏结和磨损。

技术研发人员：蔡飞,谢大尹,张世宏,方炜,张腾飞,李明喜
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21