复合涂层刀具及其制备方法与流程

本技术属于表面防护涂层，具体涉及复合涂层刀具及其制备方法。

背景技术：

1、金属切削加工过程中，刀具持续承受机械冲击、摩擦磨损、高温氧化、工件粘结等多重作用。在切削工况下，靠近基体侧涂层需要良好的韧性与界面结合能力，表层需要高硬度、抗氧化、抗粘结性能。传统alcrn基硬质涂层，硬度与韧性难以兼顾；单一成分涂层，切削高温下晶粒易长大，抗氧化能力受限；常规多层涂层成分突变，层间内应力大，裂纹易沿层间扩展，膜-基结合强度不足。现有的涂层体系难以满足在钛合金高速切削所要求的高耐磨性、优异的韧性、强膜基结合力以及较好的抗高温氧化性能之间兼顾。因此，刀具还需进一步改进。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有良好的耐磨损性、超高的膜基结合强度和优异的抗高温氧化能力的复合涂层刀具及其制备方法。

2、本技术的第一方面，提出一种复合涂层刀具，包括：基体和设置于所述基体表面的功能涂层，所述功能涂层包括：

3、cr粘结层，设置于所述基体的表面；

4、crn过渡层，设置于所述cr粘结层远离所述基体的表面；

5、alcrvn支撑层，设置于所述crn过渡层远离所述基体的表面；

6、梯度复合层，包括多个层叠设置的子涂层，每个所述子涂层包括alcrvn子涂层和alcrsibn子涂层，所述alcrvn子涂层靠近所述alcrvn支撑层设置；

7、alcrtan表层，设置于所述梯度复合层远离所述基体的表面；

8、其中，在远离所述基体的方向上，所述梯度复合层满足：

9、v的原子百分比逐渐减小；

10、si和b的原子百分比各自独立地逐渐增大；

11、晶体形貌由柱状晶连续过渡至等轴晶且非晶相的体积分数逐渐增加；

12、所述alcrvn子涂层的单层厚度逐渐减小；

13、所述alcrsibn子涂层的单层厚度逐渐增大；

14、其中，所述非晶相的体积分数基于晶体相和所述非晶相的总体积分数计算。

15、根据本技术的实施例，复合涂层刀具满足以下条件的至少一种：

16、在远离所述基体的方向上，在所述梯度复合层中，基于单个所述alcrvn子涂层中的总原子数计算，v的原子百分比由2at.%~5at.%逐渐减小至0；

17、在远离所述基体的方向上，在所述梯度复合层中，基于单个所述alcrsibn子涂层中的总原子数计算，si的原子百分比由0逐渐增大至3.5at.%~5at.%；

18、在远离所述基体的方向上，在所述梯度复合层中，基于单个所述alcrsibn子涂层中的总原子数计算，b的原子百分比由0逐渐增大至1.5at.%~2.5at.%。

19、根据本技术的实施例，复合涂层刀具满足以下条件的至少一种：

20、所述非晶相包括si3n4相和bn相；

21、在远离所述基体的方向上，基于晶体相和所述非晶相的总体积，所述梯度复合层中所述非晶相的体积分数由2%~5%连续增加至12%~18%；

22、在远离所述基体的方向上，所述晶体相中的晶粒尺寸由50nm~80nm连续减小至10nm~25nm；

23、所述梯度复合层包括纳米复合结构，且所述纳米复合结构包括非晶相包覆的alcrn晶粒。

24、根据本技术的实施例，复合涂层刀具满足以下条件的至少一种：

25、所述cr粘结层的厚度为0.05μm~0.15μm；

26、所述crn过渡层的厚度为0.15μm~0.35μm；

27、所述alcrvn支撑层的厚度为0.5μm~1μm；

28、所述梯度复合层的厚度为1μm~4μm；

29、单个所述alcrvn子涂层和单个alcrsibn子涂层的厚度各自独立地为5nm~30nm；

30、所述alcrtan表层的厚度为0.3μm~0.5μm。

31、根据本技术的实施例，复合涂层刀具满足以下条件的至少一种：

32、所述alcrvn支撑层为柱状晶结构；

33、所述alcrvn支撑层中，金属元素al、cr和v之间的原子比为（60~68）：（28~30）：（4~10），且所述金属元素al、cr和v与n元素之间的原子比满足：0.9≤(al+cr+v)/n≤1.1；

34、所述alcrtan表层远离所述基体的一侧表面的粗糙度ra小于0.15μm；

35、所述alcrtan表层为等轴晶结构；

36、所述alcrtan表层中，金属元素al、cr和ta之间原子比为（57~68）：（24~30）：（6~15），且所述金属元素与n元素之间的原子比满足：0.9≤(al+cr+ta)/n≤1.1；

37、在梯度复合层中，与所述alcrtan表层的相邻的所述alcrsibn子涂层中，基于单个所述alcrsibn子涂层中总原子数，si的原子百分比为3.5at.%~5at.%，b的原子百分比为1.5at.%~2.5at.%。

38、根据本技术的实施例，复合涂层刀具满足以下条件的至少一种：

39、在所述功能涂层中，具有柱状晶形貌的区域为柱状晶区，所述柱状晶区的总厚度为1μm~2μm；

40、在所述功能涂层中，具有等轴晶形貌的区域为等轴晶区，所述等轴晶区的总厚度为1μm~4μm；

41、所述功能涂层的总厚度为2μm~6μm；

42、所述功能涂层的断裂韧性为4.5 mpa·m1/2~5.5 mpa·m1/2；

43、所述功能涂层具有第一端和第二端，所述第一端表面的硬度到第二端表面的硬度单调递增且所述第一端表面的硬度为28gpa~32gpa，所述第二端表面的硬度为33gpa~37gpa；

44、其中，第一端为所述alcrvn支撑层远离所述基体的一侧表面，所述第二端为所述alcrtan表层远离所述基体的一侧表面。

45、本技术的第二方面，提出一种制备第一方面所述的复合涂层刀具的方法，包括：

46、提供基体；

47、在纯ar气氛中，以纯cr靶为沉积源，在所述基体表面沉积cr粘结层，得到第一产物；

48、在纯n2气氛中，以纯cr靶为沉积源，在所述第一产物的表面沉积crn过渡层，得到第二产物；

49、在纯n2气氛中，以alcrv靶为沉积源，在所述第二产物的表面沉积alcrvn支撑层，得到第三产物；

50、在纯n2气氛中，以alcrv靶和alcrsib靶为沉积源，使所述alcrv靶和所述alcrsib靶交替沉积并控制所述alcrv靶的靶电流逐渐减小直至关闭，同时控制所述alcrsib靶的靶电流逐渐增大，并控制沉积偏压逐渐增大；通过所述alcrv靶与所述alcrsib靶的交替沉积，依次形成层叠设置的alcrvn子涂层和alcrsibn子涂层，所述alcrvn子涂层与所述alcrsibn子涂层构成梯度复合层，得到第四产物；

51、在纯n2气氛中，以alcrta靶为沉积源，在所述第四产物表面沉积alcrtan表层，得到复合涂层刀具。

52、上述方法采用多弧离子镀技术，该技术简单、操作方便，且利于实现梯度复合层的成分梯度变化、厚度梯度变化以及晶型的梯度变化。

53、根据本技术的实施例，在纯n2气氛中，以alcrv靶为沉积源和alcrsib靶，使所述alcrv靶和所述alcrsib靶交替沉积并控制偏压从-60v~-80v呈线性梯度递增至-100v~-120v，所述alcrv靶的靶电流从150a~200a线性递减至50a，随后关闭；alcrsib靶的靶电流从50a线性递增至150a~200a，随后常开，得到第四产物。

54、根据本技术的实施例，上述方法满足以下条件的至少一种：

55、所述沉积cr粘结层的温度为450℃~550℃；

56、所述沉积cr粘结层的偏压为-120v~-180v；

57、所述沉积cr粘结层时，所述纯cr靶靶电流为130a~160a；

58、所述沉积cr粘结层的气体压强为0.2pa~1.0pa；

59、所述沉积crn过渡层的温度为450℃~550℃；

60、所述沉积crn过渡层的偏压为-40v~-60v；

61、所述沉积crn过渡层时，所述纯cr靶靶电流为130a~160a；

62、所述沉积crn过渡层的气体压强为2.5pa~4.0pa；

63、所述沉积alcrvn支撑层的温度为450℃~550℃；

64、所述沉积alcrvn支撑层的偏压为-40v~-60v；

65、所述沉积alcrvn支撑层时，所述alcrv靶靶电流为150a~200a；

66、所述沉积alcrvn支撑层的气体压强为2.5pa~4.0pa；

67、所述沉积alcrtan表层的温度为450℃~550℃；

68、所述沉积alcrtan表层的偏压为-80v~-120v；

69、所述沉积alcrtan表层时，所述alcrta靶的靶电流为150a~200a；

70、所述沉积alcrtan表层的气体压强为2.5pa~4.0pa。

71、根据本技术的实施例，在得到所述第四产物后，还包括在所述alcrsibn子涂层表面进行ar离子刻蚀且刻蚀时间为5min~10min。