一种V含量呈梯度变化的高硬度高耐磨性AlCrVTiSiN梯度涂层及其制备方法

本发明涉及涂层，具体涉及一种v含量呈梯度变化的高硬度高耐磨性alcrvtisin梯度涂层及其制备方法。

背景技术：

1、在高速干切削难加工材料时，切削温度高达1200℃，使涂层刀具加速磨损，严重影响刀具使用寿命和加工效率。而自润滑涂层刀具在干切削过程中，随着切削温度升高，表层发生摩擦化学反应生成层间低剪切模量的magnéli氧化物润滑相，并逐渐转移至刀-屑、刀-工件接触界面形成润滑膜，能够显著改善摩擦系数和耐磨性，延长刀具使用寿命。许多掺杂v元素和mo元素的氮化物涂层具有较低的摩擦系数和较高耐磨性，例如crn/mo2n、mo-al-si-n、crn/mon和mo-cu-v-n等。

2、v元素在钛合金涂层形成过程中会通过置换其他元素形成固溶体，增加v含量能降低双相(fcc/hcp)结构中六方相的比例，使涂层结构更稳定，而涂层的制备参数也会对其相组成有影响。

3、alcrtisin涂层虽然具有良好的力学性能和高温抗氧化性能，但其摩擦系数高、耐磨性差的缺点限制了其在高速切削难加工工件时的应用。本发明拟在alcrtisin涂层中掺杂金属v元素，并通过系统研究v浓度变化速率对alcrvtisin涂层成分、物相组成、微观结构、力学性能和摩擦学行为的影响规律，在保证对涂层机械性能影响不大的前提下，使制备的v浓度渐变的梯度涂层同时实现良好的力学性能和持续润滑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种v含量呈梯度变化的高硬度高耐磨性alcrvtisin梯度涂层及其制备方法，采用电弧离子镀膜技术，在alcrtisin涂层中掺杂v元素，形成alcrvtisin涂层，通过线性调节靶电流从而控制v含量呈梯度变化，制备出兼具高硬度、高耐磨性的alcrvtisin梯度涂层。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种v含量呈梯度变化的高硬度高耐磨性alcrvtisin梯度涂层，该alcrvtisin梯度涂层沉积于金属(硬质合金基片或不锈钢片)或硅片基材上，该涂层由内至外的v元素及al元素含量逐渐增加。

4、所述alcrvtisin梯度涂层与基材之间为crn过渡层，alcrvtisin梯度涂层总厚度控制在2～5μm。

5、所述alcrvtisin梯度涂层包括fcc-(al,cr,v)n相、hcp-cr2n相、bcc-tivn相以及少量非晶相组成。

6、所述alcrvtisin梯度涂层的硬度和弹性模量最高可达33.4gpa和422.4gpa，h/e和h3/e*2分别为0.079和0.173gpa，此时涂层临界载荷为65.5n。

7、所述alcrvtisin梯度涂层按原子百分比计的化学成分为：al 21.5-46.5％，cr14.2-30.8％，v 17-34.5％，ti 4.8-11％，si 6.0-19.5，n 0.05-9.8％；该梯度涂层表层的v元素含量为24.2-34.5at.％、al元素含量为37-46.5％。

8、所述v含量呈梯度变化的高耐磨性alcrvtisin梯度涂层是采用电弧离子镀膜技术在基体上沉积而成，通过线性调节靶电流从而控制v含量呈梯度变化；其中：靶材选取alcrsi、altisi合金靶和金属v靶、cr靶；先在基体上沉积15～20min金属化合物crn过渡层，随后沉积alcrvtisin梯度涂层；沉积alcrvtisin梯度涂层时，本底真空度为3×10-3pa以上，保持偏压偏压-100～-110v(占空比50％～60％)，沉积压强为2.8-2.9pa，开启alcrsi靶、altisi靶和v靶，合金靶靶电流均保持恒定数值，alcrsi靶电流范围为95-100a，altisi靶电流范围为80-85a；v靶电流为线性递增方式，其变化范围从下限75a线性增加至上限80-95a，通入ar和n2；根据所需梯度涂层的厚度以及靶电流设置不同靶材开启时间及气体通入时间。

9、进一步地，沉积alcrvtisin梯度层时，通入ar的流量为50-60sccm，通入n2的总流量为590-600sccm，气体总流量650sccm。

10、优选地，在沉积alcrvtisin梯度涂层过程中，v靶电流线性调节范围为75-85a或75-90a。

11、进一步地，在沉积alcrvtisin梯度涂层过程中，当沉积时间固定时，v靶电流线性增加的靶电流上限越大，所得涂层摩擦系数和磨损率越低。

12、所述v含量呈梯度变化的高耐磨性alcrvtisin梯度涂层的制备具体包括如下步骤：

13、(1)将清洗后的基体固定于镀膜室内旋转架上，将真空度抽至3×10-3pa以上；alcrsi、altisi合金靶和金属v靶、cr靶均作为电弧离子镀阴极靶；

14、(2)对基体依次进行辉光放电清洗和离子轰击清洗；所述辉光放电清洗的过程为：打开ar气瓶，气体流量设置为400-410sccm，调节工作压强保持在2.4-2.5pa，设置脉冲偏压-800～-750v(占空比94-96％)，辉光时间15-20min；所述离子轰击清洗过程为：辉光放电清洗后，先关偏压，再将ar气体流量设置为100-110sccm，调节工作压强保持在0.5-0.6pa，脉冲偏压分别为-800v，-600v，-400v，-200v，(占空比94-96％)时间均为2min，；打开cr靶，靶电流为90-95a。

15、(3)沉积crn过渡层，以提高工作层与基体的结合强度，沉积crn过渡层的过程为：依次关闭靶电源和偏压，打开n2气瓶，氩气和氮气流量分别为50-60sccm和190-200sccm，调节工作压强保持在1.0-1.1pa，脉冲偏压-100～-90v(占空比60％)，打开cr靶沉积crn过渡层，以cr靶电流为90-95a，沉积时间15-20min。

16、(4)沉积alcrvtisin梯度涂层。

17、本发明的设计机理如下：

18、本发明采用电弧离子镀膜技术在硬质合金片、sus 304不锈钢和单晶si片上沉积alcrvtisin梯度涂层。

19、alcrtisin涂层虽然具有良好的力学性能和高温抗氧化性能，但其摩擦系数高、耐磨性差的缺点限制了其在高速切削难加工工件时的应用。在保证对涂层机械性能影响不大的前提下，在alcrtisin涂层中掺杂金属v元素，通过摩擦形成高温润滑相，获得高性能v浓度渐变且al含量逐渐增加的多组元自润滑高熵合金梯度涂层。另外，本发明alcrvtisin涂层具有硬度高、膜基结合牢固、耐磨性好和高热稳定性等优点。本发明通过线性增加v靶电流(调节范围：下限为75a，线性递增到上限80-95a)，使涂层由内至外形成v浓度差。涂层总厚度控制在2～5μm。本发明通过研究v浓度渐变速率等工艺参数对梯度涂层组分、力学性能和摩擦学行为的影响，获得v元素对涂层性能的影响规律。通过控制v靶电流等参数，使得制备的alcrvtisin梯度涂层中存在大量两相界面，且纳米晶晶粒小硬度高，其各方面性能明显不同于v元素无梯度过渡的均一alcrvtisin涂层，所制备的梯度涂层能够具有更优的刀具韧性及抗高温氧化性能。

20、本发明的优点及有益效果如下：

21、1、本发明制备的alcrvtisin梯度涂层具有优异的耐磨性，具有明显的抗磨损效果。

22、2、本发明alcrvtisin梯度涂层在均一alcrvtisin涂层基础上，线性增加v含量，可以生成更多具有自润滑作用的v2o5，显著降低摩擦系数，具有高硬度、高耐磨性等优点。

23、3、本发明alcrvtisin梯度涂层应用前景广泛，适用于高速干切削各种难加工材料，大幅度提高切削效率及刀具使用寿命。

24、4、本发明alcrvtisin梯度涂层具有优异的抗高温氧化性能和力学性能及摩擦磨损性能，涂层刀具可适用于高速切削连续重载加工。