[发明专利]TiAlN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法

说明书

本发明涂层材料领域，具体是一种TiAlN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，在高速钢基体表面设有TiAl金属过渡层和纳米尺度的TiAlN/CrAlSiN薄膜，其中，TiAlN与CrAlSiN交替沉积形成TiAlN/CrAlSiN薄膜，TiAl金属过渡层和纳米尺度的TiAlN/CrAlSiN薄膜从基体到涂层表面依次沉积形成超晶格纳米多层膜，在调制周期为：TiAlN为10‑20nm，CrAlSiN为20‑30nm时，实现超晶格结构。该涂层总厚度在1.5‑5μm，硬度可达44.88GPa，附着力可达80.60N，摩擦系数为0.316，且断面组织无柱状晶、耐摩擦、耐腐蚀、抗氧化能力强、延展性好，可用于制备切削刀具保护涂层，提升其工作性能，延长使用寿命。

技术领域

本发明涉及涂层材料领域，具体是一种具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性、高延展性和高抗氧化温度的TiAlN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法。

背景技术

21世纪以来，随着防护涂层在表面改性中的应用越来越广泛，涂层沉积技术也得到了飞快的发展，尤其以电弧离子镀技术为基础的表面处理及改性技术的发展十分迅猛，在生化、机电、冶金、钟表、汽车配件、航天等多个领域得到广泛应用。涂层技术在切削刀具行业的成功应用使得高速切削和超硬材料的切削变得容易，带来了一场刀具行业的变革。

在涂层技术发展初期，简单二元单层涂层TiN以其优异的性能和成熟的制备方法受到人们的青睐，很快在工业化生产中得以推广应用(参见Arezzo F等人的Characterization of TiAlN films deposited onto stainless steel strips byconTiAlNuous dry-coaTiAlNg process[J].Thin Solid Films,1996,290(24):226–231.)。但是当切削工具高温作业时，TiN涂层显现了一些不足，TiN涂层的抗氧化温度大约在550℃左右，富氧高温环境下涂层会因被氧化而失效。相比之下，三元单层涂层TiAlN的抗氧化温度高达800℃(参见Rao K P等人的Comparison of titanium silicide andcarbide reinforced in situ synthesized TiAl composites and their mechanicalproperties[J].Intermetallics,2011,19:1236–1242.)。但是纯净的TiAlN涂层内的柱状结晶使其在切削中容易产生晶界滑移而造成涂层剥落。

近年来，随着对TiAl基化合物的进一步研究，在简单二元和三元涂层的基础上掺杂Cr、Si等元素得到TiAlSiN、CrAlSiN等多元单层涂层，该类涂层可以适应高温、高速切削、重载等苛刻条件下的应用。现在多层膜结构涂层逐渐兴起周期多层涂层是指按照一定调制周期或调制比交替叠加形成的多层涂层，复合膜中的多晶结构起到硬化作用，因为相邻的晶粒往往具有不同的滑移体系，在应力作用下，位错更难穿过晶粒从而硬度得到增强。

单层TiAlN涂层具有高温抗氧化、低摩擦系数等优点，但是柱状晶的存在会削弱其机械性能，CrAlSiN涂层具有高硬度、高延展性、低表现粗糙度等特点。此两种涂层的周期多层涂层能有效抑制柱状晶的生长，而且兼具高的硬度、高抗氧化温度、良好的延展性。作为一种新型的涂层材料适用于各种高速切削工具。

另外，在电弧离子镀沉积纳米复合多层涂层方法中，常采用频繁交替开关弧源的方式，造成沉积的涂层表面大颗粒较多、粗糙度高、摩擦系数高，此外该方式沉积效率低，浪费现象严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性和高抗氧化温度的新型TiAlN/CrAlSiN纳米复合多层涂层材料及其制备方法，以更好地提升切削刀具在高温富氧环境下的工作性能，延长使用寿命。

为了实现上述功能，本发明将采用以下技术方案：