[发明专利]高硬度、高耐磨性的AlCrSiN/AlCrMoSiN纳米多层复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高硬度、高耐磨性的AlCrSiN/AlCrMoSiN纳米多层复合涂层及其制备方法，属于涂层技术领域。该纳米多层复合涂层是由AlCrSiN调制层和AlCrMoSiN调制层交替叠加而成，涂层调制周期为55～175nm，周期数≥10；所述AlCrSiN调制层和AlCrMoSiN调制层的调制比为1:1～9:1。该涂层是采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术在基体上沉积而成，通过优化调制周期和调制比，制备出兼具高硬度、高耐磨性及高耐热能力的涂层。

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，具体涉及一种高硬度、高耐磨性的AlCrSiN/AlCrMoSiN纳米多层复合涂层及其制备方法。

背景技术

纳米多层涂层由于特殊的物理、化学性能而得到了广泛的关注，与材料表面相关的性能如硬度、耐高温、耐氧化、耐摩擦、耐腐蚀等，都是目前人们研究的热点。纳米多层涂层是由两种或两种以上不同材料以纳米量级交替沉积形成的周期结构的多层涂层。纳米多层涂层主要分为金属/金属、金属/氮化物(碳化物，硼化物)、氮化物(碳化物，硼化物)/氮化物(碳化物，硼化物)等，通过控制多层膜调制周期与调制比获得高力学性能的纳米多层涂层。

由于其在高载荷、高速度的摩擦条件下，CrN涂层表现出硬度低及抗磨粒磨损性能差，容易产生严重磨损导致过早失效，另外在超过700℃的高温下发生氧化导致其性能严重下降，限制了其在高温工况下的应用，无法满足涂层刀具在高速干式切削方向的应用。通过引入Al元素进一步改善CrN涂层性能，一方面，涂层中铝元素在高温环境下极易与O结合生成高硬度高致密性的Al₂O₃薄膜，具有良好的红硬性和热屏障功能，其中Al含量占比越高的涂层表面形成Al₂O₃薄膜越致密，涂层的抗氧化性能和摩擦学性能越好，研究表明在往复的摩擦的条件下AlCrN的摩擦系数保持平稳状态，磨损表面极其光滑，表面呈现抛光效应，涂层的磨损机理为轻微的磨粒磨损和氧化磨损。在高载荷的条件下AlCrN表现出明显的摩擦磨损特性，涂层载荷承受能力明显提升，极大拓宽了涂层的服役范围，AlCrN涂层刀具被广泛应用于切削加工中。在高温环境下AlCrN涂层易与外界氧反应，即fcc-(Al,Cr)N亚稳相容易发生分解，导致涂层性能下降。Si元素的引入形成α-Si₃N₄非晶相包裹fcc-(Al,Cr)N纳米晶的复合结构，能有效地阻碍涂层中亚稳相元素向涂层内扩散，使AlCrSiN涂层的热稳定性维持到1000℃。AlCrSiN涂层凭借良好的力学性能和高温抗氧化性能，被广泛应用于切削刀具的表面防护。

发明内容

为进一步提高现有AlCrSiN涂层的硬度和AlCrMoSiN的耐磨性，本发明的目的在于提供一种具有高硬度与高耐磨性的AlCrSiN/AlCrMoSiN纳米多层复合涂层的制备工艺，采用脉冲直流和高功率脉冲复合磁控溅射技术，在AlCrSiN涂层中掺杂Mo元素，形成AlCrMoSiN涂层，将AlCrSiN和AlCrMoSiN两种材料交替沉积，并通过工艺设计以及优化调制层的膜厚比例和调制比，制备出兼具高硬度、高耐磨性的AlCrSiN/AlCrMoSiN纳米多层复合涂层。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高硬度、高耐磨性的AlCrSiN/AlCrMoSiN纳米多层复合涂层，是由AlCrSiN调制层和AlCrMoSiN调制层交替叠加而成，涂层调制周期为55～175nm，周期数≥10；所述AlCrSiN调制层和AlCrMoSiN调制层的调制比为1:1～9:1，所述AlCrSiN调制层和AlCrMoSiN调制层的调制比优选为(2～6):1，所述AlCrSiN调制层和AlCrMoSiN调制层的调制比更优选为3:1。

所述AlCrSiN/AlCrMoSiN纳米多层复合涂层为包含AlN纳米晶相、CrN纳米晶相和Mo₂N的纳米晶相，AlN相沿(111)晶面晶面择优生长，CrN相、Mo₂N相沿(200)晶面择优生长。