[发明专利]TiAlN/TiSiNiN复合涂层、硬质涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及表面防护技术领域，特别是涉及一种TiAlN/TiSiNiN复合涂层及其制备方法与应用。本发明通过交替沉积TiAlN层和TiSiNiN层形成TiAlN/TiSiNiN复合涂层，并限定各层中各元素的质量百分比及相邻两层TiAlN层及TiSiNiN层的厚度，制得的复合涂层不仅具备TiAlN涂层的高硬度与高耐磨性，还具备了TiSiN涂层的抗高温氧化性；同时，通过引入Ni元素形成金属Ni相，作为界面相包裹在纳米晶相的周围，由于金属Ni相可以起到吸收塑性形变功和断裂功的作用，增强了涂层的断裂韧性。因此，该复合涂层兼具了高硬度、高耐磨性、优异的抗高温氧化性以及断裂韧性，有效提升了氮化钛系涂层的综合性能，并拓宽了应用场景。

技术领域

本发明涉及表面防护技术领域，特别是涉及一种TiAlN/TiSiNiN复合涂层及 其制备方法与应用。

背景技术

随着刀具切削加工技术的发展，人们对刀具的材料和性能提出了更高的要 求：干式、高速、高精度切削已成为刀具切削发展的重要方向，其中，在刀具 表面沉积硬质涂层就是改善刀具切削性能的重要途径。

TiAlN由于具有高硬度、高耐磨性及抗高温氧化等优良的性能，是目前被广 泛使用的三元氮化物硬质涂层之一，尤其在刀具切削领域获得了成功应用，大 大提高了刀具的切削性能及使用寿命。TiAlN的使用温度一般在750℃～850℃ 左右，然而，如果进行干式高速切削，刀具表面温度可高达900℃甚至1000℃ 以上，因此，为了进一步提高涂层的抗高温氧化性能，人们将Si元素添加到TiN 或TiAlN结构中，形成nc-TiN/α-Si₃N₄或nc-TiAlN/α-Si₃N₄，这是一种纳米晶/非 晶复合结构，整个涂层中以TiN或TiAlN纳米晶为主体，非晶Si₃N₄作为界面相 包裹在TiN或TiAlN纳米晶周围，合适尺寸的Si₃N₄相能够阻碍位错的滑动及晶 粒的相对滑移，并有效阻挡氧元素向涂层内部扩散，从而使涂层的硬度、抗高 温氧化性显著提高。然而，这一类纳米晶/非晶复合结构由硬相/硬相组合而成， 涂层在制备过程中产生的应力无法得到释放，因此其断裂韧性较差，无法制备 厚度较大的涂层，而且断裂韧性较差的涂层在刀具的实际使用过程中很容易崩 膜。

发明内容

基于此，有必要提供一种TiAlN/TiSiNiN复合涂层及其制备方法，其在保持 了nc-TiN/α-Si₃N₄或nc-TiAlN/α-Si₃N₄结构高硬度及抗高温氧化性能的同时，具 备优良的断裂韧性，有效扩展了氮化钛系涂层的应用。

本发明的一个方面，提供了一种TiAlN/TiSiNiN复合涂层，其包括在基体上 交替设置的TiAlN层和TiSiNiN层；

所述TiAlN层中，各元素的质量百分比分别为：Ti：15％～25％，Al：25％ ～35％，N：45％～55％；

所述TiSiNiN层中，各元素的质量百分比分别为：Ti：30％～40％，Si：2％ ～15％，Ni：1％～10％，N：45％～55％；

其中，相邻两层所述TiAlN层与所述TiSiNiN层的厚度之和为2nm～30nm。

本发明通过交替沉积TiAlN层和TiSiNiN层形成TiAlN/TiSiNiN复合涂层， 并限定各层中各元素的质量百分比及相邻两层TiAlN层及TiSiNiN层的厚度， 制得的复合涂层不仅具备TiAlN涂层的高硬度与高耐磨性，还具备了TiSiN涂 层的抗高温氧化性；同时，通过引入Ni元素形成金属Ni相，作为界面相包裹 在纳米晶相的周围，由于金属Ni相可以起到吸收塑性形变功和断裂功的作用， 增强了涂层的断裂韧性。因此，该复合涂层兼具了高硬度、高耐磨性、优异的 抗高温氧化性以及断裂韧性，有效提升了氮化钛系涂层的综合性能，并拓宽了 应用场景。