高功率脉冲磁控溅射CrAlSiN纳米复合涂层及其制备方法

本发明涉及一种纳米复合涂层及其制备技术，具体地说是一种CrAlSiN纳米复合涂层的制备工艺。采用高功率脉冲与直流脉冲共溅射技术在金属或硬质合金基体上制备CrAlSiN纳米复合涂层。选用纯金属Cr、Al和Si（纯度均为99.99 wt.%）作为靶材，其中，高功率脉冲选用Cr靶，直流脉冲溅射选用Al靶和Si靶。镀膜前先通入Ar气，采用‑800 V偏压，对基片进行辉光清洗10~30 min。随后开启三个靶材，对基体和靶材表面进行轰击清洗，并逐渐降低偏压至‑30~100V。关闭Al靶和Si靶，沉积纯Cr过渡层10~40min。通入反应气体N，并开启Al靶和Si靶，沉积CrAlSiN涂层120~360 min。本发明涉及的CrAlSiN纳米复合涂层综合性能好，制备工艺简单，成分可控，重复性好，容易工业化生产。

1.一种具有高硬度、高强度的CrAlSiN纳米复合涂层，其特征在于CrAlSiN涂层与基体
之间有一层纯Cr金属过渡层，以提高涂层与基体之间的结合力，过渡层厚度为10~300 nm；
CrAlSiN涂层总厚度为1~10 μm。
2.根据权利要求1所述的涂层成分，其特征在于：CrAlSiN涂层中Cr含量为10~45 at.%，
Al含量为5~35 at.%, Si含量为5~15 at.%，N含量为40~55 at.%，涂层成分通过调节Cr靶、
Al靶、Si靶的功率来控制。
3.根据权利要求1所述CrAlSiN涂层的组织结构，其特征在于：所述的CrAlSiN涂层为面
心立方结构的（Cr，Al）N相，其中Si以非晶相SixNy的形式分布于（Cr，Al）N相晶界处，阻止
（Cr，Al）N相长大，起到细化晶粒的作用。
4.根据权利要求1所述CrAlSiN涂层的制备工艺，其特征在于：采用高功率脉冲和直流
脉冲共溅射技术在金属或硬质合金上沉积具有高硬度、高强度的CrAlSiN纳米复合涂层。
5.按照权利要求2所述的CrAlSiN纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：基体材料在
丙酮、酒精、去离子水中超声清洗后，采用N₂吹干，并放在旋转速度为5~45 r/min的转架上，
基体材料与靶材距离约为60~120 mm。
6.按照权利要求2所述的CrAlSiN涂层的制备工艺，其特征在于：采用机械泵和分子泵
抽真空，当真空室气压优于1×10^-3 Pa时，打开加热系统将炉腔加热至100~450 ºC；待炉内
真空度优于2×10^-3 Pa时，开启Ar气流量阀，气流量为30~300 sccm，调整节流阀使真空室压
强为0.1~1 Pa，基体加-800V负偏压，辉光清洗10~30 min；开启Cr靶、Al靶和Si靶，靶材功率
均为0.4~2 KW，对基体和靶材进行轰击清洗；降低偏压至-10~100 V，关闭Al靶和Si靶电源，
沉积纯Cr金属过渡层10~40 min。
7.按照权利要求2所述的CrAlSiN涂层的制备工艺，其特征在于：沉积CrAlSiN涂层时，
同时通入N₂和Ar，其气流量分别为30~300 sccm，调整节流阀使真空室压强为0.1~0.8 Pa，
控制N₂/Ar比在0.3~3之间；开启Cr靶、Al靶和Si靶，靶材功率均为0.4~2 KW，沉积CrAlSiN涂
层；沉积时间为120~360 min。
8.根据权利要求1所述的CrAlSiN涂层的厚度，其特征在于：涂层厚度为1~10 μm，根据
所需涂层厚度调整靶材功率、基材转速、涂层的沉积时间等工艺参数。
9.根据权利要求1所述的CrAlSiN涂层，其特征在于：所述CrAlSiN涂层硬度为20~50
GPa，弹性模量为350~500 GPa，具有很好的抗高温氧化性能，与基体结合良好。