[发明专利]一种纳米刀具涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米刀具涂层及其制备方法，涉及涂层技术领域。本发明所述的纳米刀具涂层包括刀具基体以及依次在所述刀具基体表面沉积的过渡层、支撑层、界面层和功能顶层；所述过渡层为Ti过渡层；所述支撑层为TiAlTaN梯度涂层；所述界面层为WS₂/TaO纳米多层涂层；所述功能顶层为TiAlN/WS₂/TaO复合涂层，并在各层界面间通过飞秒激光技术引入纳米尺度的波纹结构调控层间结合强度，使刀具涂层整体呈现“硬‑韧‑硬”三层复合结构，实现力学性能与长效自润滑、减亲和功能多指标协同优化。

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，尤其涉及一种纳米刀具涂层及其制备方法。

背景技术

由碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和钛合金材料组成的叠层结构具有很高的比强度和比模量，该结构常通过螺栓连接方式制成航空航天飞行器关键承重构件。为提高叠层结构装配孔的位置精度和装配质量，叠层构件须一次装夹、一体加工，这使得CFRP/钛合金叠层构件高效率、低损伤的一体化制孔技术成为了航空制造领域研究的热点。

由于具有硬度高、抗高温氧化等性能，物理气相沉积(PVD)TiAlN基涂层刀具是目前切削钛合金、CFRP常用刀具。然而，CFRP/钛合金叠层构件将两种材料性能融于一体，加工时涂层刀具经历性能差异大的多组分切削过程(钛合金的低导热率和高化学活性促进刀具的粘结；CFRP的高强度碳纤维加重刀具涂层磨损、剥落)，再加上无法使用切削液(CFRP极易吸收液体膨胀)，缺少润滑、冷却作用，导致涂层磨损加剧，严重影响加工效率和质量。因此，加工叠层构件时，涂层须同时具有高结合强度、高热稳定性、高硬度、高韧性等力学性能，还要兼具自润滑、减亲和功能性。

目前，研究者主要通过多元化和多层化方法进行涂层结构设计，提高刀具涂层的综合性能。多元化是指在现有涂层中添加其他组元提高涂层性能的方法。在TiAlN涂层中添加高熔点的Ta元素，通过分别诱发TaN相和抑制A1N相的生成提高涂层的硬度(39.5±1.0GPa)及热稳定性(1100℃)。在TiN涂层中添加Si，通过形成非晶(Si₃N₄)包裹纳米晶(TiN)的复合结构，晶粒尺寸得到明显细化，使涂层硬度提高到36GPa，热稳定温度提高到1100℃。但是，多元化方法在提高硬度和热稳定性的同时，涂层内部不具有发生裂纹偏转的路径，因此会导致韧性和结合力降低。纳米多层化是通过多层生长的方式设计多层结构，利用界面效应、层间耦合效应、尺寸效应等的影响，使涂层的力学性能得到显著提高。在TiAlN/TiAIZrN多层涂层中，通过控制调制周期比，涂层的硬度最高可达49.2GPa，但是膜基结合力降低约21.3％。在AlCrN/TiSiN多层涂层中，通过控制偏压，涂层硬度提高3％(33GPa)，韧性却降低10％。研究者也通过多元化和多层化的结构设计方法实现涂层润滑性和减亲和性的功能复合。功能复合是指将力学层与功能层或功能相复合提高涂层综合性能的方法。涂层润滑性的研究主要采用碳类、硫化物等低摩擦系数的材料作为功能层与力学层复合，从而提高涂层的润滑性能。比如，将TiAlTaN涂层表面复合非晶碳层，使涂层的摩擦系数从0.66降低到0.25。然而，碳类涂层的热稳定性差，在400℃时石墨化转变严重；另外，功能层都是涂覆在力学涂层表面，磨损速度快，无法实现长效自润滑与减亲和效果。利用多元化的方法，将WS₂润滑相均匀嵌入到TiAlTaN力学涂层中，在保证涂层硬度的前提下(25GPa)，摩擦系数由1.02下降到0.37，初步实现了长效自润滑效果。但是这种多元化的功能复合涂层存在内应力大，膜基结合力低的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中涂层结合力、硬度、韧性、热稳定性等性能的提升存在竞争与配合的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米刀具涂层及其制备方法。将涂层成分梯度多元化、纳米多层化生长方式相结合调控涂层微结构，通过“成分梯度+多层生长+功能复合”混合式结构设计调控涂层微结构，并在层界面引入纳米波纹几何结构增强涂层结合强度，以实现刀具涂层结合力、硬度、韧性等力学性能与长效自润滑和减亲和功能多指标协同优化。