复合涂层刀具及其制备方法和应用与流程

本技术涉及表面涂层，具体地，涉及复合涂层刀具及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钛合金（如ti-6al-4v）、高温合金（如inconel 718）等材料，因其具有高比强度、优异的耐腐蚀性和高温性能，在航空航天发动机、燃气轮机、骨科植入物等领域广泛应用。但该类材料切削加工难度较高，因此对切削刀具的综合性能提出了严苛要求。

2、需要说明的是，上述的陈述仅用于提供与本技术有关的背景技术信息，而不必然地构成现有技术。

技术实现思路

1、在本技术的第一方面，本技术提供了一种复合涂层刀具，包括基体以及位于所述基体至少一侧的复合涂层；其中，所述复合涂层包括：粘结层；所述粘结层位于所述基体的至少一侧；过渡层；所述过渡层位于所述粘结层远离所述基体的一侧；应力缓冲层；所述应力缓冲层位于所述过渡层远离所述粘结层的一侧；所述应力缓冲层包括alxnb1-xn，0.4≤x≤0.6；功能层；所述功能层位于所述应力缓冲层远离所述过渡层的一侧；所述功能层包括n个单元层，n≥2；所述单元层包括第一子层和第二子层；所述第一子层包括alanbbb1-a-bn，0.4≤a≤0.6，0.3≤b≤0.55，1-a-b＞0；所述第二子层包括alcnbdw1-c-dn，0.4≤c≤0.6，0.3≤d≤0.55，1-c-d＞0；表层；所述表层位于所述功能层远离所述应力缓冲层的一侧；所述表层包括alenbfb1-e-fn，0.4≤e≤0.6，0.3≤f≤0.55，1-e-f＞0。

2、首先，本技术的应力缓冲层、功能层和表层均包括以alnbn为核心的晶格骨架，alnbn晶格骨架包括以下优势：（1）alnbn晶格骨架具有较高的硬度，可以满足钛合金或高温合金的切削要求；（2）金属nb具有优异的高温化学稳定性，即使在900℃以上高温环境中也较难产生挥发性氧化物，可以有效提高刀具复合涂层的耐热极限；（3）alnbn晶格骨架有利于提升高温稳定性，可以进一步提高刀具复合涂层的耐热极限；（4）alnbn与钛合金或高温合金的化学亲和度较低，可以有效降低对加工工件表面质量的影响；（5）控制alnbn晶格骨架中元素al与元素nb的原子计量比在前述范围内，不仅可以形成稳定的固溶体结构，还可以有效维持复合涂层的高温抗粘性。

3、其次，功能层的第一子层中，alnbn晶格骨架掺杂b元素形成非晶bn相，可以降低复合涂层的摩擦系数、提高复合涂层的自润滑性，从而可以有效降低切削难度；功能层的第二子层中，alnbn晶格骨架掺杂的w元素产生固溶强化效应，可以有效提高复合涂层的硬度和抗氧化屏障，进一步满足钛合金或高温合金的切削要求；同时，第一子层和第二子层的分层设计，可以降低b元素和w元素之间的竞争性偏聚，以降低对复合涂层性能的影响。应力缓冲层可以释放复合涂层中的应力，以有效提高复合涂层中各层的界面结合强度。表层中alnbn晶格骨架掺杂b元素形成非晶bn相，具有低摩擦系数和自润滑性，从而可以进一步降低切削难度，提升加工工件的质量。

4、由此，本技术复合涂层刀具的表面涂层具有较高的硬度、高温稳定性、与钛合金或高温合金较低的化学亲和度、较低的表面摩擦系数、较高的界面结合强度，可以满足钛合金或高温合金的切削要求，提升加工工件的质量。

5、在一些实施方式中，满足以下条件中的一种或多种：0.01≤1-a-b≤0.1；0.01≤1-c-d≤0.1；0.01≤1-e-f≤0.1。

6、在一些实施方式中，所述单元层满足以下条件中的一种或多种：单个所述单元层的厚度为10nm-50nm；所述第一子层的厚度为5nm-25nm；所述第二子层的厚度为5nm-25nm；自所述功能层靠近所述应力缓冲层的一侧向靠近所述表层的一侧计数，第n个所述单元层中所述第二子层的厚度大于第n+1个所述单元层中所述第二子层的厚度，其中，n+1≤n，n、n分别独立的为正整数；自所述功能层靠近所述应力缓冲层的一侧向靠近所述表层的一侧计数，第n个所述单元层中所述第一子层的厚度与第n+1个所述单元层中所述第一子层的厚度比为1:(0.95-1.05)；所述n大于或等于6，且小于或等于200。

7、在一些实施方式中，所述应力缓冲层具有面心立方晶体结构。

8、在一些实施方式中，满足以下条件中的一种或两种：所述应力缓冲层中晶粒的平均粒径＞所述功能层中晶粒的平均粒径＞所述表层中晶粒的平均粒径；所述应力缓冲层的维氏硬度＜所述功能层的维氏硬度＜所述表层的维氏硬度。

9、在一些实施方式中，满足以下条件中的一种或多种：所述应力缓冲层中晶粒的平均粒径为30nm-200nm；所述功能层中晶粒的平均粒径为5nm-50nm；所述表层中晶粒的平均粒径为10nm-30nm；所述应力缓冲层的维氏硬度为24gpa-32gpa；所述功能层的维氏硬度为26gpa-36gpa；所述表层的维氏硬度为27gpa-38gpa。

10、在一些实施方式中，满足以下条件中的一种或多种：所述应力缓冲层的厚度为0.2μm-1.0μm；所述功能层的厚度为0.5μm-3.0μm；所述表层的厚度为0.5μm-2.0μm。

11、在一些实施方式中，所述粘结层满足以下条件中的一种或两种：所述粘结层包括钛金属；所述粘结层的厚度为0.05μm-0.1μm。

12、在一些实施方式中，所述过渡层满足以下条件中的一种或两种：所述过渡层包括tin；所述过渡层的厚度为0.1μm-0.2μm。

13、在一些实施方式中，所述复合涂层的厚度为1.5μm-5.0μm。

14、在一些实施方式中，所述基体满足以下条件中的一种或两种：所述基体包括硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼烧结体、高速钢中的一种或多种；所述基体包括掺杂钴金属的碳化钨硬质合金，其中，基于所述掺杂钴金属的碳化钨硬质合金的质量，钴元素的质量占比为6%-12%。

15、本技术的第二方面，本技术提出一种制备复合涂层刀具的方法，包括：在基体的至少一侧沉积复合涂层；

16、所述沉积复合涂层包括：

17、在所述基体的至少一侧沉积粘结层；

18、在所述粘结层远离所述基体的一侧沉积过渡层；

19、在所述过渡层远离所述粘结层的一侧进行第一沉积处理，以得到应力缓冲层；

20、在所述应力缓冲层远离所述过渡层的一侧进行第二沉积处理，以得到含有n个单元层的功能层，n≥2；

21、在所述功能层远离所述应力缓冲层的一侧进行第三沉积处理，以得到表层；

22、其中，所述应力缓冲层包括alxnb1-xn，0.4≤x≤0.6；

23、所述功能层中所述单元层包括第一子层和第二子层；所述第一子层包括alanbbb1-a-bn，0.4≤a≤0.6，0.3≤b≤0.55，1-a-b＞0；所述第二子层包括alcnbdw1-c-dn，0.4≤c≤0.6，0.3≤d≤0.55，1-c-d＞0；

24、所述表层包括alenbfb1-e-fn，0.4≤e≤0.6，0.3≤f≤0.55，1-e-f＞0。

25、在一些实施方式中，所述沉积复合涂层的方法包括物理气相沉积法；所述物理气相沉积法包括脉冲磁控溅射，所述脉冲磁控溅射的平均功率为1000w-10000w。

26、在一些实施方式中，所述第二沉积处理，满足以下条件中的一种或多种：

27、所述基体的温度为600℃-750℃；

28、所述基体的偏压为-60v～-120v；

29、沉积所述第一子层的靶材包括alnbb合金；所述alnbb合金中，al原子、nb原子、b原子的原子数量比为(0.4-0.6):(0.3-0.55):(0.01-0.1)；

30、沉积所述第一子层的平均功率为2000w-6000w；

31、沉积所述第二子层的靶材包括alnbw合金；所述alnbw合金中，al原子、nb原子、w原子的原子数量比为(0.4-0.6):(0.3-0.55):(0.01-0.1)；

32、沉积所述第二子层的平均功率为2000w-6000w；

33、所述第二沉积处理还包括通入氮气，所述氮气的流量为200sccm-500sccm；

34、所述第二沉积处理的工作压强为0.4pa-0.8pa；

35、自所述功能层靠近所述应力缓冲层的一侧向靠近所述表层的一侧计数，沉积第n个所述单元层中所述第二子层的平均功率大于沉积第n+1个所述单元层中所述第二子层的平均功率；其中，n+1≤n，n、n分别独立的为正整数；

36、自所述功能层靠近所述应力缓冲层的一侧向靠近所述表层的一侧计数，沉积第n个所述单元层中所述第一子层的平均功率与沉积第n+1个所述单元层中所述第一子层的平均功率比为1:(0.95-1.05)。

37、在一些实施方式中，所述第一沉积处理，满足以下条件中的一种或多种：

38、所述基体的温度为600℃-750℃；

39、所述基体的偏压为-40v～-100v；

40、沉积所述应力缓冲层的靶材包括alnb合金；所述alnb合金中，al原子和nb原子的原子数量比为(0.4-0.6):(0.6-0.4)；

41、所述第一沉积处理的平均功率为1000w-6000w；

42、所述第一沉积处理过程中功率从1000w逐渐递增至h，h为2000w-6000w；

43、所述第一沉积处理还包括通入氮气，所述氮气的流量为200sccm-500sccm；

44、所述第一沉积处理的工作压强为0.4pa-0.8pa。

45、在一些实施方式中，所述第三沉积处理，满足以下条件中的一种或多种：

46、所述基体的温度为600℃-750℃；

47、所述基体的偏压为-80v～-140v；

48、沉积所述表层的靶材包括alnbb合金；所述alnbb合金中，al原子、nb原子、b原子的原子数量比为(0.4-0.6):(0.3-0.55):(0.01-0.1)；

49、所述第三沉积处理的平均功率为3000w-6000w；

50、所述第三沉积处理还包括通入氮气，所述氮气的流量为200sccm-500sccm；

51、所述第三沉积处理的工作压强为0.4pa-0.8pa。

52、在一些实施方式中，还包括：在所述基体的至少一侧进行第四沉积处理，以得到所述粘结层，所述粘结层包括钛金属；

53、所述第四沉积处理，满足以下条件中的一种或多种：

54、所述基体的温度为600℃-750℃；

55、所述基体的偏压为-150v～-200v；

56、沉积所述粘结层的靶材包括钛金属；

57、所述第四沉积处理的平均功率为6000w-8000w；

58、所述第四沉积处理的工作压强为0.4pa-0.8pa；

59、所述第四沉积处理之前，还包括对所述基体进行清洗处理；所述清洗处理依次包括：喷砂清洗处理、水洗处理、辉光放电清洗处理。

60、在一些实施方式中，还包括：在所述粘结层远离所述基体的一侧进行第五沉积处理，以得到所述过渡层，所述过渡层包括tin；

61、所述第五沉积处理，满足以下条件中的一种或多种：

62、所述基体的温度为600℃-750℃；

63、所述基体的偏压为-100v～-150v；

64、沉积所述过渡层的靶材包括钛金属；

65、所述第五沉积处理的平均功率为6000w-8000w；

66、所述第五沉积处理还包括通入氮气，所述氮气的流量为200sccm-300sccm；

67、所述第五沉积处理的工作压强为0.4pa-0.8pa。

68、本技术的第三方面，本技术提供一种本技术第一方面的复合涂层刀具或采用本技术第二方面的方法制备得到的复合涂层刀具在切削加工钛合金和/或高温合金中的应用。

69、在一些实施方式中，满足以下条件中的一种或两种：所述钛合金包括tc4、tc18中的一种或两种；所述高温合金包括镍基高温合金、铁基高温合金中的一种或两种。