高效加工高温合金纳米复合涂层工艺.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910449871.4 (22)申请日 2019.05.27 (71)申请人 国宏工具系统 （无锡） 股份有限公司 地址 214000 江苏省无锡市锡山经济开发 区万全路58号 (72)发明人 于忠光张继波吴帅 (74)专利代理机构 北京智客联合知识产权代理 事 务 所( 特 殊 普 通 合 伙 ) 11700 代理人 杨群 (51)Int.Cl. C23C 14/06(2006.01) C23C 14/32(2006.01) (54)发明名称 一种高效加工高温合金纳米复合。

2、涂层工艺 (57)摘要 本发明涉及一种涂层工艺， 具有刀具使用寿 命长的效果。 本发明公开了一种高温合金刀具， 包括刀体和刀体外覆盖的复合涂层， 所述复合涂 层包括ALTIN层和ALTIVN层， 所述ALTIVN层由 ALTIN中加入微量元素V而得到， 所述ALTIN层贴 合刀体表面， 所述ALTIVN层覆盖在ALTIN层外。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 110079766 A 2019.08.02 CN 110079766 A 1.一种高温合金刀具， 包括刀体和刀体外覆盖的复合涂层， 其特征在于： 所述复合涂层 包括ALTIN层和ALTIVN层， 所述ALTIVN层由ALTi。

3、N中加入微量元素V而得到， 所述ALTIN层贴 合刀体表面， 所述ALTIVN层覆盖在ALTIN层外。 2.根据权利要求1所述的一种高温合金刀具， 其特征在于： 所述ALTIN层和ALTIVN层的 纳米多层膜周期性复合。 3.根据权利要求2所述的一种高温合金刀具， 其特征在于： 所述复合涂层中微量元素V 的原子百分比为3-5。 4.根据权利要求3所述的一种高温合金刀具， 其特征在于： 所述复合涂层中元素Al的原 子百分比为15.3-17。 5.根据权利要求4所述的一种高温合金刀具， 其特征在于： 所述复合涂层的厚度为1.8 m-3 m。 6.一种高效加工权利要求1-5中任一项所述的高温合金刀具。

4、的纳米复合涂层工艺， 包 括以下步骤： S1.将切削高温合金的刀具进行前处理， 再进行超声波清洗和烘干； S2.将刀具放在巴儿查斯涂层炉的旋转平台上； S3.在旋转平台周围环形放置6个圆形靶材， 包括1号、 2号、 3号、 4号、 5号和6号， 1号、 2号 和3号分别放置ALTI， 4号、 5号和6号分别放置ALTIV， 将Ar气和N2气通入巴儿查斯涂层炉中； S4.将巴儿查斯涂层炉封闭， 并抽真空， 真空度保持在5*10-4mbar， 炉腔温度升至480 ， 在离子室通入50SCCM的Ar气， 偏压维持在-170V； S5.将部分N2通入炉腔， 并使气压保持在3*10-2mbar， 1号、。

5、 2号和3号分别通入130A， 同 时线圈电流输入1.0A， 偏压输入-40V； S6.继续通入N2保持炉腔压力3*10-2mbar， 采用梯度形式变化偏压， 从-40V升到- 100V,此时1、 2、 3、 4、 5和6号靶材同时起弧， 形成复合涂层； S7.继续通入N2保持炉腔压力3*10-2mbar， 偏压保持在-100V,此时1、 2、 3、 4、 5和6号靶 材同时起弧， 形成复合涂层。 7.根据权利要求6所述的一种高温合金刀具， 其特征在于： 步骤S3中， 所述1号、 2号和3 号圆形靶材中Al和Ti的元素百分比为67:33。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110079766 。

6、A 2 一种高效加工高温合金纳米复合涂层工艺 技术领域 0001 本发明涉及一种涂层工艺， 更具体地说， 它涉及一种高效加工高温合金纳米复合 涂层工艺。 背景技术 0002 刀具涂层技术指在高真空条件下， 利用气相物理沉积法在刀具基体表面涂上一层 2-5 m的超硬涂层。 涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来， 既保持了基体良 好的韧性和较高的强度， 又具有涂层的高隔热、 高硬度、 高耐磨性和低摩擦系数。 因此， 涂层 刀具相比于未涂层刀具， 寿命可提高58倍。 0003 针对航空镍基高温合金， 基本上以AlTiN涂层为主， 它的化学稳定性和抗氧化磨损 性能好。 AlTiN涂层刀具切削。

7、时， 温度高于600后会在刀具前刀面和切屑的界面上产生一 层氧化铝惰性保护膜， 该膜有良好的隔热性和化学稳定性， 使热量很少传到刀具基体， 防止 粘刀， 可以延长刀具的使用寿命。 但切削温度在200500区间内增加时， 因未生成氧化铝 薄膜， 刀具的耐磨性反而会不断下降。 在700之后， 生成的氧化膜被高温迅速破坏， 耐磨性 随着温度的继续增高反而下降。 故AlTiN涂层高耐磨性， 只有在温度达到600才能显现出 来。 切削温度过高过低都会降低其耐磨性， 存在使用寿命低的问题。 发明内容 0004 针对现有技术存在的不足， 本发明的一个目的在于提供一种高温合金刀具， 具有 使用寿命长的效果。 。

8、0005 为实现上述技术目的， 本发明提供了如下技术方案： 一种高温合金刀具， 包括刀体 和刀体外覆盖的复合涂层， 所述复合涂层包括ALTIN层和ALTIVN层， 所述ALTIVN层由ALTIN 中加入微量元素V而得到， 所述ALTIN层贴合刀体表面， 所述ALTIVN层覆盖在ALTIN层外。 0006 通过采用上述技术方案， 由于Ti的存在， 涂层的摩擦系数高， 微量元素V的主要作 用是低摩擦系数和细化晶粒增加涂层的硬度， 能够在高温条件下保持较低的摩擦系数， 减 少摩擦阻力， 从而减少热量的产生。 而且还能够在高温的条件下保持较高的硬度， 在实际应 用中， 本发明的涂层与传统的ALTIN的。

9、涂层相比， 有较高的耐磨性， 以及抗氧化性， 避免温度 高于700后， 氧化膜被迅速破坏。 因此刀具磨损减少2倍， 减少了客户刀具补偿的次数， 提 高了工作效率， 延长了刀具的使用寿命， 而且由于摩擦系数低， 工件表面的加工纹路， 明显 提高， 具有很大的工业应用价值。 0007 作为优选， 所述ALTIN层和ALTIVN层的纳米多层膜周期性复合。 0008 通过采用上述技术方案， 采用TiAlN打底层， 与刀体的结合力明显提高， 再进行 TiAlN与VN的纳米多层膜周期复合， 梯度的变化加上内部TiAlN层与VN层， 他们由于不同的 剪切模量， 会形成共格界面,而他们之间存在界面的排斥作用,。

10、使得位错运动受阻， 从而使 得本发明的纳米涂层结构膜的硬度升高。 0009 作为优选， 所述复合涂层中微量元素V的原子百分比为3-5。 说明书 1/4 页 3 CN 110079766 A 3 0010 通过采用上述技术方案， 微量元素V的作用主要是细化晶粒， 降低摩擦力， 因此 ALTIVN层的主体还是依靠ALTIN的性能， 因此要控制微量元素V的含量， 否则过高过低， 都会 影响到涂层的性能(如涂层硬度、 涂层耐高温性等)。 0011 作为优选， 所述复合涂层中元素Al的原子百分比为15.3-17。 0012 通过采用上述技术方案， 过高或过低的Al元素的含量会直接影响涂层的性能(例 如高。

11、温抗氧化性能等)。 0013 作为优选， 所述复合涂层的厚度为1.8 m-3 m。 0014 通过采用上述技术方案， 复合涂层如果过薄， 会影响到涂层的保护性能和保护效 果， 但过厚的复合涂层不仅会产生过高的应力， 导致涂层易剥落， 刀具失效明显加快。 0015 针对现有技术存在的不足， 本发明的另一个目的在于提供一种高效加工高温合金 纳米复合涂层工艺， 采用电弧技术比磁控溅射具有降低涂层生产成本的效果。 0016 为实现上述技术目的， 本发明提供了如下技术方案： 一种高效加工高温合金纳米 复合涂层工艺， 包括以下步骤： 0017 S1.将高温合金刀具进行前处理， 再进行超声波清洗和烘干； 0。

12、018 S2.将刀具放在巴儿查斯涂层炉的旋转平台上； 0019 S3.在旋转平台周围环形放置6个圆形靶材， 包括1号、 2号、 3号、 4号、 5号和6号， 1 号、 2号和3号分别放置ALTI， 4号、 5号和6号分别放置ALTIV， 将Ar气和N2气通入巴儿查斯涂 层炉中； 0020 S4.将巴儿查斯涂层炉封闭， 并抽真空， 真空度保持在5*10-4mbar， 炉腔温度升至 480， 在离子室通入50SCCM的Ar气， 偏压维持在-170V； 0021 S5.将部分N2通入炉腔， 并使气压保持在3*10-2mbar， 1号、 2号和3号分别通入 130A， 同时线圈电流输入1.0A， 偏压。

13、输入-40V； 0022 S6.继续通入N2保持炉腔压力3*10-2mbar， 采用梯度形式变化偏压， 从-40V升到- 100V,此时1、 2、 3、 4、 5和6号靶材同时起弧， 形成复合涂层； 0023 S7.继续通入N2保持炉腔压力3*10-2mbar， 偏压保持在-100V,此时1、 2、 3、 4、 5和6 号靶材同时起弧， 形成复合涂层。 0024 通过采用上述技术方案， 通过电弧离子镀技术， 能够极大地提高膜层与基体的结 合力， 离化率比磁控溅射的高的很多， 涂层的成本大大的降低。 同时借助S6和S7的过渡， 形 成涂层的硬度梯度式升高， 微量元素V的含量逐渐增加， 涂层会逐渐。

14、致密化， 保证了涂层结 构的稳定性。 0025 作为优选， 步骤S3中， 所述1号、 2号和3号圆形靶材中Al和Ti的元素百分比为67: 33。 0026 通过采用上述技术方案， 通过实验， 算出Al和Ti的合理元素百分比， 保证了涂层的 合理性能。 0027 综上所述， 本发明取得了以下效果： 0028 1.借助ALTIN层和ALTIVN层的配合， 采用TiAlN打底层， 与基体的结合力明显提高， 再进行TiAlN与VN的纳米多层膜周期复合， 梯度的变化加上内部TiAlN层与VN层， 他们由于 不同的剪切模量， 会形成共格界面,而他们之间存在界面的排斥作用,使得位错运动受阻， 从而使得本发明。

15、的纳米涂层结构膜的硬度升高。 说明书 2/4 页 4 CN 110079766 A 4 0029 2.本发明专利的另一个特点就是加入V， 传统的TiAlN的膜层结构， 由于Ti的存在 摩擦系数很高， 本发明通过TiAlN与VN的纳米复合， 摩擦系数会较少很多， 利于刀具的切削， 减少刀具的粘结， 以及热量的产生。 0030 3.采用电弧离子镀技术， 能够极大的提高膜层与基体的结合力， 离化率比磁控溅 射的高的很多， 涂层的成本大大的降低。 附图说明 0031 图1为本实施例中用于表现复合涂层结构的电镜结构图； 0032 图2为本实施例中用于表现涂层结合力大小的划痕值图； 0033 图3为本实施。

16、例中用于表现方案一的刀具磨损情况的放大图； 0034 图4为本实施例中用于表现方案二的刀具磨损情况的放大图。 具体实施方式 0035 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。 0036 本具体实施例仅仅是对本发明的解释， 其并不是对本发明的限制， 本领域技术人 员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改， 但只要在本 发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。 0037 实施例： 一种高温合金刀具， 包括刀体和刀体外覆盖的复合涂层， 复合涂层包括 ALTIN层和ALTIVN层， ALTIVN层由ALTI中加入微量元素V而得到， ALTIN层贴合刀体表面， ALTIVN层覆盖。

17、在ALTIN层外(参考图1， 上层的为ALTIVN层)。 0038 由于Ti的存在， 涂层的摩擦系统高， 微量元素V的主要作用是低摩擦系数和细化晶 粒增加涂层的硬度， 能够在高温条件下保持较低的摩擦系数， 减少摩擦阻力， 从而减少热量 的产生。 而且还能够在高温的条件下保持较高的硬度， 在实际应用中， 本发明的涂层与传统 的ALTIN的涂层相比， 有较高的耐磨性， 以及抗氧化性， 避免温度高于700后， 氧化膜被迅 速破坏。 因此刀具磨损减少2倍， 减少了刀具补偿的次数， 提高了工作效率， 延长了刀具的使 用寿命， 而且由于摩擦系数低， 工件表面的加工纹路， 明显提高， 具有很大的工业应用价值。

18、。 0039 ALTIN层和ALTIVN层的纳米多层膜周期性复合。 采用TiAlN打底层， 与刀体的结合 力明显提高， 再进行TiAlN与VN的纳米多层膜周期复合， 梯度的变化加上内部TiAlN层与VN 层， 他们由于不同的剪切模量， 会形成共格界面,而他们之间存在界面的排斥作用,使得位 错运动受阻， 从而使得本发明的纳米涂层结构膜的硬度升高。 0040 复合涂层中微量元素V的原子百分比为3-5。 微量元素V的作用主要是细化晶 粒， 降低摩擦力， 因此ALTIVN层的主体还是依靠ALTIN的性能， 因此要控制微量元素V的含 量， 否则过高过低， 都会影响到涂层的性能(如涂层硬度、 涂层耐高温性。

19、等)。 0041 复合涂层中元素Al的原子百分比为15.3-17， 本实施例中Al的原子百分比为 16。 过高或过低的Al元素的含量会直接影响涂层的性能(例如高温抗氧化性能等)。 0042 复合涂层的厚度为1.8 m-3 m， 本实施例中复合涂层厚度为2 m， 涂层的结合力可 以达到120N(参加图2)。 复合涂层如果过薄， 会影响到涂层的保护性能和保护效果， 但过厚 的复合涂层不仅会产生过高的应力， 导致涂层易剥落， 而且成本也随之增加。 0043 一种高效加工高温合金纳米复合涂层工艺， 包括以下步骤： 说明书 3/4 页 5 CN 110079766 A 5 0044 S1.将高温合金刀具。

20、进行前处理， 再进行超声波清洗和烘干； 0045 S2.将刀具放在巴儿查斯涂层炉的旋转平台上； 0046 S3.在旋转平台周围环形放置6个圆形靶材， 包括1号、 2号、 3号、 4号、 5号和6号， 1 号、 2号和3号分别放置ALTI， 4号、 5号和6号分别放置ALTIV(67:33)， 将Ar气和N2气通入巴儿 查斯涂层炉中； 0047 S4.将巴儿查斯涂层炉封闭， 并抽真空， 真空度保持在5*10-4mbar， 炉腔温度升至 480， 在离子室通入50SCCM的Ar气， 偏压维持在-170V； 0048 S5.将部分N2通入炉腔， 并使气压保持在3*10-2mbar， 1号、 2号和3。

21、号分别通入 130A， 同时线圈电流输入1.0A， 偏压输入-40V； 0049 S6.继续通入N2保持炉腔压力3*10-2mbar， 采用梯度形式变化偏压， 从-40V升到- 100V,此时1、 2、 3、 4、 5和6号靶材同时起弧， 形成复合涂层； 0050 S7.继续通入N2保持炉腔压力3*10-2mbar， 偏压保持在-100V,此时1、 2、 3、 4、 5和6 号靶材同时起弧， 形成复合涂层。 0051 通过电弧离子镀技术， 能够极大地提高膜层与基体的结合力， 离化率比磁控溅射 的高的很多， 涂层的成本大大的降低。 同时借助S6和S7的过渡， 形成涂层的硬度梯度式升 高， 微量元。

22、素V的含量逐渐增加， 涂层会逐渐致密化， 保证了涂层结构的稳定性。 0052 本实施例经过切削实验的验证， 效果明显， 切削参数如下： 切削速度VC47.1M/ min， 进给Fz0.08mm/t， 切削深度ap0.5mm， 被加工叶片材料高温合金GH4169(薄壁件)。 样的刀具分两种涂层， 方案一、 普通的ALTIN； 方案二、 本发明的ALTIN/VN， 在试切42min的情 况， 方案一后刀面磨损0.10mm(参考图3)， 方案二后刀面磨损0.05mm(参考图4),寿命提高了 2倍， 本发明专利可以减少加工补偿刀具的次数， 提高效率， 降低加工成本。 说明书 4/4 页 6 CN 110079766 A 6 图1 图2 说明书附图 1/3 页 7 CN 110079766 A 7 图3 说明书附图 2/3 页 8 CN 110079766 A 8 图4 说明书附图 3/3 页 9 CN 110079766 A 9 。