[发明专利]一种纳米多层结构的VC/Ni增韧涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质涂层及其制备方法，尤其涉及一种纳米多层结构的VC/Ni增韧涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层领域。

背景技术

硬质防护涂层主要是由金属键构成的过渡金属氮化物、碳化物、硼化物及由离子键构成的金属氧化物等形成的，这些涂层的硬度很高，但它们的韧性却很低，提高这些涂层的韧性和提高它们的硬度一样重要，特别是在摩擦磨损领域的应用中。

过渡金属Ti、V、W、Ta、Zr、Mo、Cr等都可与碳原子反应，生成金属碳化物涂层，金属碳化物涂层具有化学稳定性好、熔点高、硬度大的特点，但是，碳化物涂层韧性不好，较脆。许多研究通过复合一种与C结合力较差的金属，可以改变金属碳化物涂层的结构，从而改变涂层的性能。现在，研究较多的是仿效块体的碳化物陶瓷通过添加第八族元素(Fe,Co,Ni等)来提高韧性，但结果不太理想。如jansson等（“Surface&Coatings Technology”，第206卷，第583～590，2011年）公布了一种Ti-C-Me涂层，其中Me为Al，Fe，Ni，Cu，Pt中的一种或几种，但是，此涂层的硬度只有7～18GPa。

20世纪70年代初，Koehler提出了弹性模量相当大的两种组元的多层结构获得高强固体的模型，其思想是根据薄层材料阻碍位错的产生和运动的作用。

申请号为03129543.6的中国专利申请公开了一种SiC/TiN超硬纳米多层结构的涂层，由TiN层和SiC层交替沉积在金属或陶瓷的基体上组成，TiN层的厚度为4～50nm，SiC层的厚度为0.4～0.8nm，纳米多层膜总厚度为2～4μm，即在调制周期为50nm以内时，产生超硬效果，涂层的耐磨性提高，但涂层的韧性却没有得到有效的改善。

申请号为200910055596.4的中国发明专利申请公开了一种VC/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法，所述的多层结构是由VC和Si₃N₄两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，其每一个双层周期中，VC层的厚度为2～8nm，Si₃N₄层的厚度为0.2～0.9nm，涂层的总厚度为1～4μm。该VC/Si₃N₄纳米多层涂层采用双靶射频磁控溅射方法在金属或陶瓷的基体上交替沉积VC层和Si₃N₄层而制得。该VC/Si₃N₄纳米多层涂层的硬度高于35GPa，最高硬度达43GPa，具有较好的硬度，虽然该涂层中VC和Si₃N₄两界面形成共晶格结构，提高了涂层的硬度，但由于VC和Si₃N₄均为塑性指数不超过0.4的硬质涂层，两界面形成共晶格结构，降低了涂层的韧性，其涂层塑性指数不超过0.40。

通过对文献作进一步的检索和分析，还没有发现纳米多层结构的VC/Ni涂层，更没有发现具有优异的韧性以及硬度超过15GPa的纳米多层结构的VC/Ni增韧涂层。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种纳米多层结构的VC/Ni增韧涂层，在保证涂层具有优异的硬度的同时，提高了涂层的韧性，从而提高了涂层的耐磨性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的纳米多层结构的VC/Ni增韧涂层由VC层和Ni层交替沉积而成，相邻的一层VC层和一层Ni层构成一个双层周期层，每个双层周期层的厚度为1～88nm，每个双层周期层中VC层与Ni层的厚度比为1.0～3.0：1，纳米多层结构的VC/Ni增韧涂层的总厚度为1～5μm。

对于单层结构，在受外力时，金属Ni单层通过剪切变形消耗大部分能量，降低了应力集中，不易萌生裂纹，而陶瓷相VC由于塑性很差，不能松弛集中的应力，严重的变形出现在涂层的缺陷位置，并进一步导致开裂，萌生裂纹，随后扩张并聚集成为主裂纹。但是在本发明纳米多层结构的VC/Ni增韧涂层中，在施加外部作用力时，Ni单层膜借助剪切变形消耗能量缓和应力，不易萌生裂纹，提高了涂层的韧性。同时，在两相界面处，金属相Ni偏聚在晶界上，抑制了VC晶粒的长大，涂层的韧性和硬度相对提高。