[发明专利]一种纳米复合高熵氮化物涂层及其复合沉积方法

说明书

本发明涉及表面涂层技术领域，具体涉及表面耐磨减摩防护涂层材料技术领域，特别涉及一种纳米复合高熵氮化物涂层及其复合沉积方法。本发明公开了一种纳米复合高熵氮化物涂层，所述纳米复合高熵氮化物涂层为非晶SiNx包裹高熵(TiAlCrNbV)N纳米晶的复合结构；所述纳米复合高熵氮化物涂层的分子式为Ti_aAl_bCr_cNb_dV_eSi_fN，所述纳米复合高熵氮化物硬质涂层采用脉冲电弧和直流磁控溅射Si靶在基体表面沉积得到。本发明的纳米复合高熵氮化物涂层采用非晶包裹高熵纳米晶的复合结构，具有高温机械性能、高膜基结合力、优秀的热稳定性、高温抗氧化性和高温耐磨减摩性能，可应用于金属零部件的高速切削加工。

技术领域

本发明涉及表面涂层技术领域，具体涉及表面耐磨减摩防护涂层材料技术领域，特别涉及一种纳米复合高熵氮化物涂层及其复合沉积方法。

背景技术

随着工业上合金的发展，越来越多难加工材料应用于关键零部件，传统切削工具在高速切削难加工材料时会导致局部过度高温，造成刀具涂层高温氧化、粘结及扩散磨损耦合，进而磨损刀具，影响难加工材料的推广发展。所以难加工材料的高速切削要提高刀具涂层在高温环境下的热稳定性、硬度和耐磨性。

在现有刀具涂层中，TiAlN是目前应用最为广泛的刀具涂层材料之一。但TiAlN涂层在高温下会发生热分解成六方AlN软质相，降低其力学性能；且在高温下摩擦系数较大，导致高速切削加工过程中切削力大、产热严重。通过元素合金化实现涂层性能的提升是TiAlN涂层改性的主要手段之一。研究表明，添加Cr合金元素能促进在涂层表面生成(Al，Cr)₂O₃氧化层，提升TiAlN涂层高温抗氧化性；添加Nb合金元素能够提高TiAlN涂层热分解起始温度；添加Magnéli氧化物润滑相活性元素V，有助于降低TiAlN涂层摩擦系数，改善涂层的高温摩擦学性能。

为促进高速切削的进一步发展，有研究发现通过多元合金化可以改善TiAlN涂层的综合性能。高熵的概念源自合金材料，通常是指包含5种或者5种以上元素组元按等原子比或近等原子比组成的固溶体合金。高熵合金化材料具有四大效应：即高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应。高熵合金化的固溶体结构使高熵涂层易于通过化学成分的改变达到调控性能的目的，且可以结合不同组元各自的优势，获得优异的综合性能。

目前，耦合高熵氮化物与纳米复合结构的新型涂层是刀具表面防护领域的研究热点之一。在高熵涂层中添加非金属Si元素，可通过热力学相分离可形成非晶SiNx界面相包裹纳米晶的纳米复合结构。纳米晶引发的Hall-Petch效应能增强硬度，非晶相具有高的结构弹性，两相界面有高的内聚能，使高熵涂层具有高硬度、高抗氧化性、优异的热稳定性等优点。高熵效应和纳米复合结构都有利于提高金属涂层的力学性能、抗氧化性和耐磨损性。但通过添加Si元素构筑高熵氮化物涂层的纳米复合结构存在较大技术难度，由于高熵涂层具有较高的混合熵，硅元素更易进入氮化物晶格中形成固溶体，相分离难度较大；此外，目前含硅高熵氮化物涂层的制备方法均采用单一沉积电源技术，如电弧离子镀、磁控溅射等，沉积粒子离化率低且能量窗口较窄，无法获得两相界面明锐的纳米复合结构。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种纳米复合高熵氮化物涂层及其复合沉积方法，采用脉冲电弧和直流磁控溅射Si靶在基体表面沉积得到纳米复合高熵氮化物硬质涂层。本发明的纳米复合高熵氮化物涂层采用非晶包裹高熵纳米晶的复合结构，具有高温机械性能、高膜基结合力、优秀的热稳定性、高温抗氧化性和高温耐磨减摩性能，可应用于金属零部件的高速切削加工。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：