[发明专利]一种仿生结构立方氮化硼涂层及其制备方法

说明书

本发明适用于真空镀膜技术领域，提供了一种仿生结构立方氮化硼涂层及其制备方法。所述仿生结构立方氮化硼涂层涂覆在基底上，所述仿生结构立方氮化硼涂层由底部的韧性层和顶部的高硬层构成，所述高硬层为立方氮化硼层，所述韧性层为M2层与M1B_x:M2掺杂复合层交替沉积形成的多层复合结构，且所述M1B_x:M2掺杂复合层为M2掺杂M1B_x形成的复合层，其中，所述M1、M2为相同或不同的过渡金属，所述x的取值范围为：0.5≤x≤4。

技术领域

本发明属于真空镀膜技术领域，尤其涉及一种仿生结构立方氮化硼涂层及其制备方法。

背景技术

立方氮化硼(cBN)具有高的硬度、高温强度、热稳定性及对黑色金属高的化学惰性，是实现淬硬钢、轴承钢、冷硬铸铁、超高强度钢等黑色金属或合金切削加工的首选刀具材料。工业应用最广泛的立方氮化硼刀具大多采用高温高压法制备的聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN)，该方法面临的最大难题是：只能用于制作形状简单、外形规则的刀片，难以加工成钻头、铣刀、丝锥、板牙等具有复杂外形的切削刀具，且高温高压工艺存在设备要求高、能耗大、生产成本高等缺点。气相沉积技术可以轻松实现cBN涂层在复杂刀具表面的沉积，解决复杂外形PCBN刀具制作难的问题。不过目前cBN涂层的应用还存在以下主要障碍：

(a)断裂韧性低。cBN具有强的方向性共价键，难以通过位错运动进行塑性变形，只能通过裂纹的萌生与扩展进行应力的释放，在切削加工过程中易发生碎裂失效。

(b)结合强度低。气相沉积技术需要高能离子(50-1000eV)轰击来促使cBN形核，但却会在涂层中产生高达5-20GPa残余压应力，涂层厚度达到100nm左右时就会自动剥落。

目前有关cBN涂层的研究工作多集中于残余应力的降低，断裂韧性方面的研究工作报道较少。对于提高材料韧性，自然界为我们提供了绝佳的范例，如贝壳的多尺度多层结构：底部为高韧性珍珠层，顶部为高硬度方解石层；其中，珍珠层又是由微米尺度的文石片(直径5-8μm，厚度～0.5μm)和纳米尺度的有机高分子层(20-30nm厚)交替复合而成的“砖墙式”纳米多层结构，每一层的文石片又具有由纳米尺度的文石晶粒(30nm)与有机高分子构成的纳米复合结构。这种独特的多尺度结构使得裂纹不仅在沿垂直于珍珠层表面方向扩展时会受到文石片层与有机高分子层之间“层界面”的偏转作用，而且在沿平行于珍珠层表面方向还会受到文石相与有机高分子相之间“相界面”的偏转作用，实现了裂纹的全方位偏转，使其断裂韧性比大块文石(碳酸钙)高出3000多倍。此外，文石片虽然是脆性材料缺乏塑性变形机制，但可以通过有机高分子材料构成的三维网状结构进行变形来释放涂层应力。因此，仿照贝壳的多尺度结构对cBN涂层进行仿生结构设计，可以为解决cBN涂层的断裂韧性和结合强度问题提供一条有效路径。