[发明专利]一种自组织纳米结构氧氮化物硬质涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于涂层材料技术领域，公开了一种自组织纳米结构氧氮化物硬质涂层及其制备方法和应用。所述涂层由下到上包括基体、AlTiN过渡层和AlCrSiON自组织纳米多层；AlCrSiON自组织纳米多层涂层由富氮层和富氧层交替自组织形成，其中富氮层为非晶包裹纳米晶的纳米复合结构。本发明自组织纳米结构氧氮化物涂层可结合氮化物涂层的高硬度、高韧性和氧化物涂层高热化学稳定性、高耐磨性的优点；本发明所采用的制备方法和技术操作方便，工艺简单，过程可控，沉积速度快，成本低，适用于大规模的工业生产。

技术领域

本发明属于涂层材料技术领域，特别涉及一种自组织纳米结构氧氮化物硬质涂层及其制备方法和应用。

背景技术

在工件表面镀覆一层硬质涂层可以降低摩擦，减少工件的磨损，可有效提高产品的表面硬度、韧性、高温稳定性和耐磨性，从而提高产品的使役时长。现代制造业对切削刀具的性能要求越来越高，而且，在磨擦环境中使用的零部件摩擦损耗极大，例如内燃机中的活塞环、各种模具等，在其表面镀覆硬质涂层可以延长其使用寿命。硬质涂层材料已广泛应用于汽车制造、地质钻探、刀具模具工业、船舶轮机、航空航天等领域。

基于性能良好的AlTiN和AlCrN硬质涂层，研究者采用PVD技术制备出AlCrON、AlTiON等氧氮化物硬质涂层。基于氧化物涂层高温性能稳定好、热导率低的特点，氧氮化物涂层高温摩擦性能优于氮化物涂层，热导率降低4-8倍，应用于刀具上在切削不锈钢和铸铁等被加工材料时已表现出优于氮化物涂层的性能。尽管如此，氧氮化物涂层的综合性能仍有待提高，富氮的氧氮化物涂层结构和性能与氮化物涂层类似，高温稳定性、摩擦性能较氧化物涂层差；而富氧时涂层的韧性和硬度急剧下降。通过优化的结构设计可以组合氮化物涂层和氧化物涂层的优点，使氧氮化物硬质涂层兼具硬度高、韧性好和优异的高温性能。

纳米复合及纳米多层是纳米结构涂层的重要结构形式。纳米复合涂层是纳米晶被包裹在呈网状骨架结构非晶相中而形成的复合结构涂层。形成纳米复合结构要求纳米晶相与非晶相之间互不相溶，如Sui Xu等人研究的AlTiSiN涂层是一种纳米晶相与非晶相共存的复合结构体系，纳米级的AlTiN晶相被包裹在网状Si₃N₄非晶相中，这种网状骨架结构限制了AlTiN晶粒的长大，受Hall-Petch效应的影响，达到细晶强化的效果，使涂层力学性能如硬度等得到提升。

纳米多层涂层具有单层涂层难以达到的性能。纳米多层涂层是由两种或两种以上成分的单层薄膜交替沉积而成，每交替沉积完成一个周期的多层膜称为一个调制周期。由于调制层间的晶格错配、模板效应、模量差效应等作用，纳米多层涂层可获得超硬效应，涂层硬度和耐磨损性能都能得到显著提高，同时可以改善涂层的韧性和热稳定性。在以往对氧氮化物涂层的诸多研究中，氧化物多以非晶态存在且模量差异不明显，不满足模量差效应的增强条件，非晶态氧化物的增多也会造成涂层硬度的下降。但刘艳、Wei Li等人在研究TiN/SiO₂、AlTiN/AlON纳米多层涂层时发现，当氧化物层足够薄，在纳米多层中以氮化物模板赝晶化外延生长时，可使硬度获得提高。K.Yalamanchili、P.C.Wo等人发现，纳米多层共格强化、多层增韧和相变增韧等协同作用可获得硬度高、韧性好的ZrN/ZrAlN、TiN/TiSiN纳米多层涂层。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种自组织纳米结构氧氮化物硬质涂层；该涂层包括AlTiN过渡层、富氮层和富氧层交替沉积的AlCrSiON纳米多层涂层，其中富氮层为典型的纳米复合结构，使所述涂层具备高硬度、高韧性。

本发明的又一目的在于提供一种上述自组织纳米结构氧氮化物硬质涂层的制备方法；该方法利用电弧离子镀技术制备AlCrSiON纳米结构涂层，通过涂层成分和结构设计使涂层兼具纳米复合及纳米多层结构，可调控其成分、调制结构、物相结构及力学性能，综合多种强化机制对涂层结构进行设计并制备，得到一种高硬高韧的纳米结构氧氮化物硬质涂层。