[发明专利]一种TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种TiN‑TiN/TiSiN‑TiSiN纳米多层梯度复合涂层及其制备方法和应用，该涂层，包括依次连接的第一TiN层、TiN/TiSiN纳米多层和第一TiSiN层，其中，所述第一TiN层为底层，底层与基体连接；所述TiN/TiSiN纳米多层为由第二TiN层与第二TiSiN层交替沉积组成的多层结构，所述多层结构为至少100层，所述TiN/TiSiN纳米多层的厚度为1.0～7.0μm。本发明的TiN‑TiN/TiSiN‑TiSiN纳米多层梯度复合涂层具有较好的韧性，其与基体之间的结合力也较强，有利于拓展该涂层的应用领域和工业化生产规模。

技术领域

本发明涉及纳米多层复合涂层技术领域，更具体地，涉及一种TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术

刀具和模具分别被称为“工业牙齿”和“工业之母”，均为高端装备制造的基础工艺，其性能好坏直接决定产品的质量、生产效率及品牌效应，而影响刀具和模具性能的重要影响因素之一是其表面涂层的性能。

市场上用于刀具和模具的主流单一涂层TiN、TiSiN等存在硬度小导致耐磨性差、或结合力低导致涂层容易脱落等问题，其中，TiN是一种硬度小、且与基体结合力小的涂层，TiSiN则是一种硬度高、与基体结合力差的涂层。近年来，多层膜因高硬度和抗裂纹扩展能力而备受行业关注，但是其与基体界面热物性(硬度、弹性模量和热膨胀系数等)差异极大，使界面应力集中，导致涂层与基体结合力较低，例如，2015年《金属热处理》杂志发表的文章“TiN/TiSiN多层膜高温微动磨损特性”公开了一种TiN/TiSiN多层膜，它虽然具有高硬度，但是其与基体的结合力较低，仅为57N，使得涂层极为容易开裂、脱落，大大限制了TiN/TiSiN多层膜的应用。因此，提高TiN/TiSiN多层膜与基体的结合力有利于拓宽其应用领域和工业化生产规模，具有十分重要的研究意义。

发明内容

本发明的首要目的是克服TiN/TiSiN多层膜与基体结合力差的问题，提供一种TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层，本发明采用三种不同硬度的第一TiN层、TiN/TiSiN纳米多层和第一TiSiN层组成特定的纳米多层梯度复合结构，并配合一定厚度的TiN/TiSiN纳米多层来提高TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层的韧性、及其与基体的结合力，有利于拓展该涂层的应用领域和工业化生产规模。

本发明的另一目的是提供上述TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层的制备方法，本发明通过电弧离子镀设备依次在基体表面沉积第一TiN层、TiN/TiSiN纳米多层和第一TiSiN层，可实现TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层的制备，该制备方法具有操作简单、生产成本低、绿色环保等优点。

本发明的再一目的是提供上述TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层在刀具和模具制备中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层，包括依次连接的第一TiN层、TiN/TiSiN纳米多层和第一TiSiN层，其中，所述第一TiN层为底层，底层与基体连接；所述TiN/TiSiN纳米多层为由第二TiN层与第二TiSiN层交替沉积组成的多层结构，所述多层结构为至少100层，所述TiN/TiSiN纳米多层的厚度为1.0～7.0μm。

发明人通过多次实验发现，涂层的硬度分布和厚度会影响其韧性、及与基体结合力的性能大小。

具体地，本发明采用硬度最小的第一TiN层、硬度适中的TiN/TiSiN纳米多层和硬度最大的第一TiSiN层组成特定的纳米多层梯度复合结构，并配合一定厚度的TiN/TiSiN纳米多层来提高TiN-TiN/TiSiN-TiSiN纳米多层梯度复合涂层的韧性、及其与基体的结合力。