[发明专利]超硬强韧高熵合金氮化物纳米复合涂层硬质合金刀片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超硬强韧高熵合金氮化物纳米复合涂层硬质合金刀片，通过在硬质合金表面沉积超硬纳米多层复合涂层而成；其中超硬纳米多层复合涂层由结合层、过渡层、支撑层、增硬层、耐磨层、耐温层构成；结合层为纯Cr层，过渡层为CrN层，支撑层为过渡层和增硬层交替生长的纳米多层膜，增硬层为TiVZrNbHfN高熵合金氮化物层，耐磨层为增硬层和耐温层材料交替生长的纳米多层膜，耐温层为AlCrNbSiTiN高熵合金氮化物层。本发明采用多种高熵合金涂层材料设计和成分梯度设计，可大幅度降低涂层的内应力并提升涂层的韧性，有效克服现有刀片涂层耐磨耐温不足的缺点，大幅度提高硬质合金刀片的切削寿命和适应性。

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，具体涉及一种超硬强韧高熵合金氮化物纳米复合涂层硬质合金刀片及其制备方法。

背景技术

随镍基高温合金在航空航天及能源领域的大量使用，其加工问题引起了国内外的广泛关注。镍基高温合金强度高、导热性差、加工硬化严重，高速切削时刀尖温度常高于涂层的热分解温度而导致刀具磨损严重而失效。将超硬纳米结构涂层材料镀于刀具表面，可赋予切削刀具高硬度、高耐温及低导热等新特性，大幅度提高刀具的切削寿命和加工的适应性。目前国内外对常规AlTiN、AlCrN等纳米复合涂层刀具加工镍基高温合金进行了大量的研究，但涂层刀具切削性能有待进一步提高，急需开发新型高性能超硬强韧耐温刀具涂层材料。

高温合金切削过程中大量的摩擦热会加速刀具涂层应力释放、氧化以及发生涂层和基体的扩散。因此涂层应该具有优异的高抗氧化性、低的相间相容性、低的残余应力和高温时与基体之间低的扩散能力。为了获取优异的切削性能，多元合金化和纳米多层化是目前传统氮化物涂层强化广泛采用的技术手段。合金化的第一个目的是产生固溶强化，降低氧向内扩散和涂层中金属元素的扩散阻力；其次是在涂层表面形成致密的复合氧化层降低刀具和工件的粘附反应，从而提高涂层的耐磨性能和增加刀具的使用寿命。而纳米多层化的主要目的是利用大量的界面提高涂层硬度和韧性，降低涂层的导热性能。目前大量研究工作表明由于过渡金属氮化物材料结构和性能的局限，氮化物涂层材料体系利用合金化和多层纳米化进一步提升涂层性能时存在较大难度，需要拓展新的材料体系以进一步提高超硬刀具涂层的加工性能，满足恶劣加工工况的需要。

此外，由于高速切削过程中涂层不可避免要经受高低温热载荷的循环作用，长时高温退火后涂层的硬度是涂层结构热稳定性的一个主要力学参量，也是其能否长期使用的一个重要指标。常规氮化物纳米多层膜由于高温下纳米层的层间扩散和层内扩散引起残余应力释放，最终导致硬度增强效应消失引起涂层硬度的大幅度下降，影响涂层刀具的加工性能。为此先进超硬刀具纳米涂层还应具有良好的长时高温结构稳定性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种超硬高熵合金氮化物涂层硬质合金刀片，将AlCrNbSiTiN和TiVZrNbHfN复合构建新型超硬强韧耐温刀具涂层材料，具有较好的耐磨性能和耐温性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超硬强韧高熵合金氮化物涂层硬质合金刀片，它以硬质合金为基体，并在基体表面依次沉积结合层、过渡层、支撑层、增硬层、耐磨层和耐温层；其中结合层为纯Cr层，过渡层为CrN过渡金属陶瓷层，支撑层为CrN/TiVZrNbHfN高熵合金氮化物多层膜，增硬层为TiVZrNbHfN高熵合金氮化物层；耐磨层为AlCrNbSiTiN/TiVZrNbHfN纳米多层膜，耐温层为AlCrNbSiTiN高熵合金氮化物涂层。

上述方案中，所述支撑层为CrN层和TiVZrNbHfN层交替生长的纳米多层膜，其中CrN单层厚为4-20nm，TiVZrNbHfN单层厚度为4-30nm，涂层调制周期为8-50nm。

上述方案中，所述耐磨层为AlCrNbSiTiN层和TiVZrNbHfN层交替生长的纳米多层膜，其中AlCrNbSiTiN单层厚为4-10nm，TiVZrNbHfN单层厚度为4-20nm，调制周期为8-30nm。