CN117283004A - 一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械加工刀具技术领域，具体涉及一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具及其制备方法，包括刀具基体和基体上的涂层；所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积且厚度至少为0.1μm的TiBx涂层，TiBx的x满足1.7≤x≤2.0，所述TiBx涂层具有Σ3孪晶结构，其孪晶界在总晶界长度中的占比大于30%；本发明有效增强了刀具的韧性和耐磨性，刀具具有高强度、高硬度和优异的耐磨性能，适用于钛基和镍基高温合金等难加工材料的铣削加工。
Description
技术领域
本发明属于机械加工刀具技术领域，具体为一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具及其制备方法。
背景技术
表面涂层被广泛应用于提高刀具材料的耐磨性能与切削寿命。其中，TiB2具有高硬度、高熔点、出色的耐磨性和低的摩擦系数等特点，成为提高材料耐磨性能的理想选择。制备TiB2涂层的方法包括PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积）法。其中，PVD方法制备的TiB2涂层存在残余应力过高和膜基结合力差等技术问题。CVD涂层是一种常用的涂层技术，通过在高温下将气体反应物沉积在基材表面，形成具有所需特性的薄膜。采用CVD方法制备的TiB2涂层可以很好避免PVD方法导致的涂层应力高和膜基结合力差的问题。
公开号为CN101889104A的中国专利公开了一种采用CVD方法制备的具有极细晶粒结构的TiB2涂层，该发明的TiB2涂层平均晶粒度小于50nm，在一定程度上提高了涂层的耐磨性。然而，这种耐磨性对于极难加工的材料来说，还有提升的空间。
众所周知，多晶材料的强度与晶粒尺寸之间的规律遵循Hall-Petch关系。Hall-Petch关系的表达式为：，其中，σ是材料的屈服强度，/>是与晶粒尺寸无关的材料基本屈服强度，d是晶粒的平均尺寸，/>是与材料的特性和结构有关的常数。根据Hall-Petch关系，晶体材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增加。然而，当晶粒尺寸达到纳米级别时，材料的强度与晶粒尺寸之间的规律遵循反Hall-Petch关系，也即继续减小晶粒尺寸难以继续提高材料的强度，与此相反，材料强度反而开始下降。因此，难以通过继续降低TiB2涂层晶粒度来提高其强度和耐磨性。此外，在加工难加工材料过程中，切削工具的刀尖的温度非常高。纳米晶TiB2涂层存在大量的晶界，切削过程中产生的热量会引发纳米TiB2涂层晶界滑移，从而降低其高温下的硬度。
综上，通过细晶强化可以改善TiB2涂层的性能，提高其对难加工材料的切削性能。但由于反Hall-Petch效应，很难再通过继续降低TiB2的晶粒尺寸来提高其性能。此外，纳米晶TiB2在切削产生的高温下容易产生晶界滑动，从而产生塑性变形，限制了切削性能的继续提高。晶界对材料性质有显著影响，包括晶粒生长、蠕变、扩散、电学性质、光学性质和机械性质。重要因素包括晶界密度、界面化学组成和晶界取向差。CSL晶界的特征是多重性指数∑，低∑值晶界通常有低界面能和特殊性质。因此，控制特殊晶界比例对于提高TiB2涂层性质至关重要。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具及其制备方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，包括刀具基体和基体上的涂层；所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积且厚度至少为0.1μm的TiBx涂层，TiBx的x满足1.7≤x≤2.0，所述TiBx涂层具有Σ3孪晶结构，其孪晶界在总晶界长度中的占比大于30%。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的优选方案，其中：所述TiBx涂层还包含堆垛层错结构。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的优选方案，其中：所述TiBx涂层的硼含量为62.9~65.6at%。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的优选方案，其中：所述TiBx涂层的晶粒度＞50nm。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的优选方案，其中：所述TiBx涂层的厚度为0.1~10μm。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的优选方案，其中：所述TiBx涂层的显微硬度≥50GPa。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的优选方案，其中：所述涂层由基体向外依次包括第一涂层、第二涂层、第三涂层，第一涂层为TiN涂层、TiC涂层或TiCN涂层；第二涂层为TiBN过渡层，其中硼含量由第一涂层向第三涂层逐渐升高；第三涂层为TiBx涂层。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的优选方案，其中：第三涂层外还包括第四涂层，第四涂层为顶层着色层，顶层着色层为TiN涂层、TiC涂层或TiCN涂层。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的优选方案，其中：第一涂层厚度为0.1~1μm，第二涂层厚度为0.1~0.5μm，第四涂层厚度为0.1~2μm。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的制备方法，包括：在刀具基体上涂覆涂层，所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积的TiBx涂层，TiBx涂层的制备温度为700~900℃，制备压力为30~100mbar，采用BCl3作为涂层的硼源，采用TiCl4作为涂层的钛源，采用H2作为载气。
作为本发明所述的一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的制备方法的优选方案，其中：所述TiCl4占总气流的0.2~0.6vol%，所述BCl3以脉冲形式通入反应容器，脉冲峰值占总气流的1.0~1.5vol%，脉冲低谷占总气流的0.1~0.5vol%，脉冲周期为30~60s。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具及其制备方法，包括刀具基体和基体上的涂层；所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积且厚度至少为0.1μm的TiBx涂层，TiBx的x满足1.7≤x≤2.0，所述TiBx涂层具有Σ3孪晶结构，其孪晶界在总晶界长度中的占比大于30%；本发明有效增强了刀具的韧性和耐磨性，刀具具有高强度、高硬度和优异的耐磨性能，适用于钛基和镍基高温合金等难加工材料的铣削加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具的TiBx涂层的表面形貌图。
图2为本发明实施例1的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具的涂层的断口形貌图。
图3为本发明实施例1的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具的TiB2涂层的孪晶结构。
图4为本发明实施例1的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具的TiB2涂层的堆垛层错结构。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，包括刀具基体和基体上的涂层；所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积且厚度至少为0.1μm的TiBx涂层，TiBx的x满足1.7≤x≤2.0，所述TiBx涂层具有Σ3孪晶结构，其孪晶界在总晶界长度中的占比大于30%。具体的，TiBx的x可以为例如但不限于1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95、2.0中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述TiBx涂层还包含堆垛层错结构。所述TiBx涂层的硼含量为62.9~65.6at%。所述TiBx涂层的晶粒度＞50nm。所述TiBx涂层的厚度为0.1~10μm。所述TiBx涂层的显微硬度≥50GPa。具体的，所述TiBx涂层的硼含量可以为例如但不限于62.9at%、63.0at%、63.5at%、64.0at%、64.5at%、65.0at%、65.6at%中的任意一者或任意两者之间的范围；所述TiBx涂层的厚度可以为例如但不限于0.1μm、0.2μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述涂层由基体向外依次包括第一涂层、第二涂层、第三涂层，第一涂层为TiN涂层、TiC涂层或TiCN涂层；第二涂层为TiBN过渡层，其中硼含量由第一涂层向第三涂层逐渐升高；第三涂层为TiBx涂层。
进一步优选的，第三涂层外还包括第四涂层，第四涂层为顶层着色层，顶层着色层为TiN涂层、TiC涂层或TiCN涂层。进一步优选的，第一涂层厚度为0.1~1μm，第二涂层厚度为0.1~0.5μm，第四涂层厚度为0.1~2μm。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的制备方法，包括：在刀具基体上涂覆涂层，所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积的TiBx涂层，TiBx涂层的制备温度为700~900℃，制备压力为30~100mbar，采用BCl3作为涂层的硼源，采用TiCl4作为涂层的钛源，采用H2作为载气。
优选的，所述TiCl4占总气流的0.2~0.6vol%，所述BCl3以脉冲形式通入反应容器，脉冲峰值占总气流的1.0~1.5vol%，脉冲低谷占总气流的0.1~0.5vol%，脉冲周期为30~60s。BCl3以上述的脉冲形式通入可保证含孪晶强化的TiBx涂层的制备。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1
一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，通过CVD技术在硬质合金可转位刀片RPHT1204M8E上涂覆3层涂层，包括硬质合金刀具基体和基体上的涂层；硬质合金组分为9.5wt%的Co，1.5wt%的Re以及余量的WC，3层涂层分别为TiN涂层、TiBN涂层和TiBx涂层，其厚度分别为0.5μm、0.3μm和2.5μm。三类样品被分别称为样品A1（本发明）、样品B（传统CVD涂层参考样品）和样品C（PVD涂层参考样品）。样品A1和样品B中的TiBx层采用CVD方法制备，但工艺不同，样品C采用PVD方法制备。样品A1和样品B沉积的工艺参数如下（二者第一层TiN和第二层TiBN工艺相同）：
通过CVD方法沉积第一层TiN涂层，制备温度为860℃，压力为120 mbar，TiCl4、N2和H2分别占总气流的1.5vol%、40vol%和58.5%。
通过CVD方法沉积第二层TiBN涂层，制备温度为800℃，压力为65 mbar，TiCl4和H2分别占总气流的1.5vol%和58.5%。N2占比从40vol%逐渐降低至0vol%，BCl3占比从0vol%逐渐升高至1.2vol%。
样品A1，通过CVD方法沉积第三层TiBx涂层，TiBx涂层的制备温度为800℃，制备压力为65mbar，采用BCl3作为涂层的硼源，采用TiCl4作为涂层的钛源，采用H2作为载气。所述TiCl4占总气流的0.44vol%，所述BCl3以脉冲形式通入反应容器，脉冲峰值占总气流的1.2vol%，脉冲低谷占总气流的0.2vol%，脉冲周期为50s；第三层TiBx涂层为第三层TiB2涂层。
样品B，通过CVD方法沉积第三层TiBx涂层，TiBx涂层的制备温度为800℃，制备压力为65mbar，采用BCl3作为涂层的硼源，采用TiCl4作为涂层的钛源，采用H2作为载气。所述TiCl4占总气流的0.44vol%，所述BCl3以恒定流量通入反应容器，占总气流的0.7vol%。
图1为本发明实施例1的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具的TiB2涂层的表面形貌图；图2为本发明实施例1的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具的涂层的断口形貌图；图3为本发明实施例1的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具的TiB2涂层的孪晶结构；图4为本发明实施例1的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具的TiB2涂层的堆垛层错结构。本发明实施例1制备的刀具的TiB2涂层包含孪晶结构，并且含有一定量的堆垛层错，EBSD测量得到本发明的TiB2涂层的Σ3孪晶结构的孪晶界在总晶界长度中的占比为35%。
实验一：通过镍基高温合金铣削，对实施例1制备的刀具（样品A1）和现有技术制备的无孪晶结构的CVD TiB2涂层刀具（样品B）进行实验对比。
操作：面铣削
工件：方块件
材料：GH4169
切削速度：45m/min
进给：0.2mm/tooth
切深：1mm
切宽：35mm
湿式切削
切削3分钟、6分钟、9分钟和12分钟后的磨损量VB（单位mm）测量结果于下表1中。
表1 切削3分钟、6分钟、9分钟和12分钟后的磨损量VB（单位mm）
实验二：通过钛基高温合金铣削，对实施例1制备的刀具（样品A1）和现有技术制备的无孪晶结构的CVD TiB2涂层刀具（样品B）进行实验对比。
操作：面铣削
工件：方块件
材料：TC18
切削速度：45m/min
进给：0.2mm/tooth
切深：1mm
切宽：44mm
湿式切削
切削3分钟、8分钟、12分钟和16分钟后的磨损量VB（单位mm）测量结果于下表2中。
表2 切削3分钟、8分钟、12分钟和16分钟后的磨损量VB（单位mm）
实验三：通过镍基高温合金铣削，对实施例1制备的刀具（样品A1）和现有技术制备的无孪晶结构的PVD TiB2涂层刀具（样品C）进行实验对比。
操作：面铣削
工件：方块件
材料：GH4169
切削速度：30m/min
进给：0.22mm/tooth
切深：2.5mm
切宽：38mm
湿式切削
切削3分钟、6分钟、9分钟和12分钟后的磨损量VB（单位mm）测量结果于下表3中。
表3 切削3分钟、6分钟、9分钟和12分钟后的磨损量VB（单位mm）
由此可见，本实施例的含孪晶强化的TiB2涂层的刀具具备更好的性能，能更好的适用于钛基和镍基高温合金等难加工材料的铣削加工。
实施例2
一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，通过CVD技术在硬质合金可转位刀片RPHT1204M8E上涂覆3层涂层，包括硬质合金刀具基体和基体上的涂层；硬质合金组分为9.5wt%的Co，1.5wt%的Re以及余量的WC，3层涂层分别为TiN涂层、TiBN涂层和TiBx涂层，其厚度分别为0.5μm、0.3μm和2.5μm。三类样品被分别称为样品A2（本发明）、样品B（传统CVD涂层参考样品）和样品C（PVD涂层参考样品）。样品A2和样品B中的TiBx层采用CVD方法制备，但工艺不同，样品C采用PVD方法制备。样品A2和样品B沉积的工艺参数如下（二者第一层TiN和第二层TiBN工艺相同）：
通过CVD方法沉积第一层TiN涂层，制备温度为860℃，压力为120 mbar，TiCl4、N2和H2分别占总气流的1.5vol%、40vol%和58.5%。
通过CVD方法沉积第二层TiBN涂层，制备温度为800℃，压力为65 mbar，TiCl4和H2分别占总气流的1.5vol%和58.5%。N2占比从40vol%逐渐降低至0vol%，BCl3占比从0vol%逐渐升高至1.2vol%。
样品A2，通过CVD方法沉积第三层TiBx涂层，TiBx涂层的制备温度为850℃，制备压力为70mbar，采用BCl3作为涂层的硼源，采用TiCl4作为涂层的钛源，采用H2作为载气。所述TiCl4占总气流的0.5vol%，所述BCl3以脉冲形式通入反应容器，脉冲峰值占总气流的1.0vol%，脉冲低谷占总气流的0.1vol%，脉冲周期为60s；第三层TiBx涂层为第三层TiB1.8涂层。
样品B，通过CVD方法沉积第三层TiBx涂层，TiBx涂层的制备温度为800℃，制备压力为65mbar，采用BCl3作为涂层的硼源，采用TiCl4作为涂层的钛源，采用H2作为载气。所述TiCl4占总气流的0.44vol%，所述BCl3以恒定流量通入反应容器，占总气流的0.7vol%。
发明实施例2制备的刀具的TiB1.8涂层包含孪晶结构，并且含有一定量的堆垛层错，EBSD测量得到本发明的TiB1.8涂层的Σ3孪晶结构的孪晶界在总晶界长度中的占比为32%。
实验四：通过镍基高温合金铣削，对实施例2制备的刀具（样品A2）和现有技术制备的无孪晶结构的CVD TiB2涂层刀具（样品B）进行实验对比。
操作：面铣削
工件：方块件
材料：GH4169
切削速度：45m/min
进给：0.2mm/tooth
切深：1mm
切宽：35mm
湿式切削
切削3分钟、6分钟、9分钟和12分钟后的磨损量VB（单位mm）测量结果于下表4中。
表4 切削3分钟、6分钟、9分钟和12分钟后的磨损量VB（单位mm）
实验五：通过钛基高温合金铣削，对实施例2制备的刀具（样品A2）和现有技术制备的无孪晶结构的CVD TiB2涂层刀具（样品B）进行实验对比。
操作：面铣削
工件：方块件
材料：TC18
切削速度：45m/min
进给：0.2mm/tooth
切深：1mm
切宽：44mm
湿式切削
切削3分钟、8分钟、12分钟和16分钟后的磨损量VB（单位mm）测量结果于下表5中。
表5 切削3分钟、8分钟、12分钟和16分钟后的磨损量VB（单位mm）
实验六：通过镍基高温合金铣削，对实施例2制备的刀具（样品A2）和现有技术制备的无孪晶结构的PVD TiB2涂层刀具（样品C）进行实验对比。
操作：面铣削
工件：方块件
材料：GH4169
切削速度：30m/min
进给：0.22mm/tooth
切深：2.5mm
切宽：38mm
湿式切削
切削3分钟、6分钟、9分钟和12分钟后的磨损量VB（单位mm）测量结果于下表6中。
表6 切削3分钟、6分钟、9分钟和12分钟后的磨损量VB（单位mm）
本发明含孪晶强化的TiBx涂层的刀具包括刀具基体和基体上的涂层；所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积且厚度至少为0.1μm的TiBx涂层，TiBx的x满足1.7≤x≤2.0，所述TiBx涂层具有Σ3孪晶结构，其孪晶界在总晶界长度中的占比大于30%；本发明有效增强了刀具的韧性和耐磨性，刀具具有高强度、高硬度和优异的耐磨性能，适用于钛基和镍基高温合金等难加工材料的铣削加工。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，其特征在于，包括刀具基体和基体上的涂层；所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积且厚度至少为0.1μm的TiBx涂层，TiBx的x满足1.7≤x≤2.0，所述TiBx涂层具有Σ3孪晶结构，其孪晶界在总晶界长度中的占比大于30%。
2.根据权利要求1所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，其特征在于，所述TiBx涂层还包含堆垛层错结构。
3.根据权利要求1所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，其特征在于，所述TiBx涂层的硼含量为62.9~65.6at%。
4.根据权利要求1所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，其特征在于，所述TiBx涂层的晶粒度＞50nm。
5.根据权利要求1所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，其特征在于，所述TiBx涂层的厚度为0.1~10μm。
6.根据权利要求1所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，其特征在于，所述TiBx涂层的显微硬度≥50GPa。
7.根据权利要求1所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，其特征在于，所述涂层由基体向外依次包括第一涂层、第二涂层、第三涂层，第一涂层为TiN涂层、TiC涂层或TiCN涂层；第二涂层为TiBN过渡层，其中硼含量由第一涂层向第三涂层逐渐升高；第三涂层为TiBx涂层。
8.根据权利要求7所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具，其特征在于，第一涂层厚度为0.1~1μm，第二涂层厚度为0.1~0.5μm。
9.一种权利要求1-8任一项所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的制备方法，其特征在于，包括：在刀具基体上涂覆涂层，所述涂层至少包括一层通过CVD方法沉积的TiBx涂层，TiBx涂层的制备温度为700~900℃，制备压力为30~100mbar，采用BCl3作为涂层的硼源，采用TiCl4作为涂层的钛源，采用H2作为载气。
10.根据权利要求9所述的含孪晶强化的TiBx涂层的刀具的制备方法，其特征在于，所述TiCl4占总气流的0.2~0.6vol%，所述BCl3以脉冲形式通入反应容器，脉冲峰值占总气流的1.0~1.5vol%，脉冲低谷占总气流的0.1~0.5vol%，脉冲周期为30~60s。
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