[发明专利]一种具有超高硬度的纳米结构涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有超高硬度的纳米结构涂层，由至少一个TiSiN层和至少一个CrAlN层构成，所述的TiSiN层和CrAlN层交替沉积在基体上。本发明还提供了上述具有超高硬度的纳米结构涂层的制备方法，首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在无水酒精和丙酮中超声清洗；然后进行离子清洗；离子清洗后将基体置入多靶磁控溅射仪并交替停留在TiSi复合靶和CrAl靶之前，通过溅射获得由TiSiN层和CrAlN层交替叠加的纳米尺度涂层。本发明的具有超高的硬度和优良力学性能和抗高温氧化性能，该涂层可作为高速切削刀具及其它高温条件下服役耐磨工件的保护涂层。

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种保护性涂层，特别是一种具有超高硬度的纳米结构涂层及其制备方法。

背景技术

随着先进制造业的发展，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，要求材料表面具有较高的硬度、耐磨、耐腐蚀和耐高温性能。在材料表面涂覆一层超硬涂层是提高材料表面性能的一种有效途径，它的发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、地质钻探、模具工业等领域。随着高速切削、干式切削等先进切削技术的不断发展，对刀具涂层的性能也提出了更高的要求，传统的刀具涂层，如TiN、TiCN、CrN、TiAlN涂层已逐渐不能满足要求。

纳米多层涂层是由两种材料以纳米量级交替沉积形成的多层涂层，因其在物理性能与力学性能的异常表现而得到了广泛的关注。尤其在力学性能方面，一些调制周期小于100nm的纳米多层涂层，呈现出弹性模量与硬度异常升高的超模效应与超硬效应。1987年，Barnet等发现TiN/NbN和TiN/VN纳米多层膜的硬度大幅提高到50GPa的超硬效应，显示出良好的应用前景。近年来的研究发现，纳米多层涂层出现超硬效应时存在着两层交替沉积生长的“模板效应”。在这种效应下，两种不同晶体结构的组成层中的一层(称为调制层)会在另一层(称为模板层)的“模板效应”下转变成与其晶体结构相同的亚稳相，从而实现两层的共格外延生长，同时纳米多层涂层呈现超硬效应。

通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，也诸多体系中也获得了超硬效应，对该类涂层的研究也取得了不少有益的成果。通过查询，检索到如下有关纳米多层涂层的中国专利：

申请号为CN201310082498的专利涉及了一种碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮及其制备工艺，叶轮基体材料为25钢，叶轮基体表面为氮化钛涂层，叶轮基体与表面氮化钛涂层之间含有一层黏性碳化钛过渡层。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积黏性碳化钛过渡层、沉积表面氮化钛高硬度层。碳化钛/氮化钛纳米多层涂层叶轮可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐冲击性和耐磨性，延长叶轮的使用寿命。

申请号为CN200610029133的专利涉及了一种ZrO₂/TiN硬质纳米多层涂层，属于陶瓷涂层领域。本发明由ZrO₂层和TiN层交替沉积在硬质合金、陶瓷或金属基底上形成，ZrO₂/TiN层的厚度为2～8nm， TiN层厚为0.4～1.2nm，涂层总厚度为2～5μm。本发明的ZrO₂/TiN纳米多层涂层 采用在氩气氛中的双靶溅射技术在抛光的金属或陶瓷基体表面交替沉积ZrO₂层和TiN层得到。本发明所得的ZrO₂/TiN纳米多层涂层不但具有优异的高温抗氧化性，而且具有19.1GPa至23GPa的硬度。