[发明专利]一种单相固溶体结构的AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种单相固溶体结构的AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层及其制备方法和应用。所述AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层从下至上包括柱状晶结构的AlCrTiSiN面向立方单相固溶体打底层和面心立方结构的AlCrTiSiN面心立方结构单相固溶体工作层。本发明提供的AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层具有高硬度和韧性，热稳定性超过1000℃，膜‑基结合力、抗高温氧化性能优异；将其作为硬质合金刀具涂层时，该刀具具有优异的切削性能。

技术领域

本发明属于氮化物硬质涂层领域，具体涉及一种单相固溶体结构的 AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层及其制备方法和应用。

背景技术

随着现代制造业的快速发展，越来越多的产品需要切削、铣削、钻削等机加工。我国每年各种刀具消耗在200亿元以上，刀具性能直接影响产品的质量和刀具的寿命。目前，硬质合金刀具加工过程中，刀具面临高的切削力和切削振动，刀具尖端刃口与被加工工件之间存在剧烈摩擦磨损和热冲击作用，刀具尖端刃口加工温度可达1000℃以上，导致刀具基体软化，加速刀具粘附磨损和化学磨损，显著降低产品加工质量和刀具寿命。因此，对刀具刃口出提出高的红硬性、热稳定性、韧性等性能要求。

物理气相沉积(PVD)涂层具有高的表面硬度、良好的热稳定性和耐磨性，显著提高了高速钢刀具的使用寿命，降低生产成本和保证加工产品的质量。目前市场主流刀具涂层为：AlCrN、TiSiN、CrTiN、AlCrSiN等三组元或四组元中熵合金氮化物涂层，这些中熵合金氮化物涂层内应力高、脆性大，涂层热稳定性欠佳，难以满足不锈钢、淬硬钢等典型难加工材料高速加工的要求。即使有少量的 AlCrTiSiN等五组元高熵合金氮化物涂层，但这些涂层由纳米晶镶嵌非晶基体组成的纳米复合结构组成，涂层耐热性较差，难以承受800℃高温，否则刀具涂层性能显著退化。AlCrTiSiN热稳定性与Al含量及其形成焓紧密相关。涂层中Al含量对提出性能有显著影响，适量的Al可以提高涂层致密性、热稳定性和抗高温氧化性能，但过量的Al会导致涂层中析出hcp-AlN，涂层性能降低；形成焓过高，AlCrTiSiN固溶体不稳定，发生调幅分解，形成纳米复合结构。因此， AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层中Al含量及其形成焓的调控是制备单相固溶的 AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层的必须考虑的问题。

另外，为了提高涂层与基体结合力，通常会在涂层与基体之间沉积打底层和过渡层。这些打底层可能是金属(Cr或AlCr等)或其氮化物(CrN，AlCrN等)。尽管如此，我们发现CrN在700℃时分解成脆性的Cr₂N相，而AlCrN在800℃时非晶成脆性的Cr₂N和hcp-AlN，导致涂层结合力显著降低。增加打底层组元含量，有利于提高涂层的热稳定性。

因此，开发一种具有具有优异的力学和热稳定性，可承受800℃高温及结合力强的新型涂层具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中AlCrTiSiN涂层热稳定不佳，结合力较差的缺陷和不足，提供一种相固溶体结构的AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层。本发明提供的AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层包括单相固溶体的打底层和工作层，其中打底层为柱状晶结构，可显著增加涂层的热稳定性、结合力和承载能力；而工作层为面心立方结构，可提高涂层热稳定性、表面硬度、耐磨性、抗高温氧化性能、自润滑作用等，不是由纳米晶镶嵌非晶基体的纳米复合结构；通过打底层和工作层的配合，该涂层具有高硬度和韧性，热稳定性超过1000℃，膜-基结合力、抗高温氧化性能优异。将其作为硬质合金刀具涂层时，该刀具具有优异的切削性能。

本发明的另一目的在于提供上述AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述AlCrTiSiN高熵合金氮化物涂层在制备硬质合金产品中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：