一种纳米刀具涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米刀具涂层及其制备方法，涉及涂层技术领域。本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种纳米刀具涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及涂层
，尤其涉及一种纳米刀具涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术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。
[0007]深海鳞角腹足蜗牛(Chrysomallon squamiferum)外壳，通过微/纳米尺度的有序组装整体显示出高度有序性，可满足复杂极端高压环境下的各种性能要求，如强韧耐磨、抗剥落、抗动力冲击等。C.squamiferum外壳微观结构表现出由有机
‑
无机纳米复合材料层组成的“硬(刚)
‑
韧(柔)
‑
硬(刚)”三层复合结构，每层具有不同功能作用且协同强化，如图1所示。在性能要求的驱动下，C.squamiferum外壳结构的层间存在明显功能梯度，可促进荷载传递和应力重分布，阻止裂纹扩展，增加断裂韧性。另外，每层间分布着纳米波纹状几何结构，该波纹连接可引起界面非均匀应力分布和通过界面分层的能量耗散，提高附着力。
[0008]本专利技术仿照深海鳞角腹足蜗牛(Chrysomallon squamiferum)外壳显微组织结构进行刀具涂层多尺度仿生结构设计，即通过溅射靶材粒子梯度生长、层生长、共生长形成微米尺度的三层功能梯度涂层，并在各层界面间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。
[0009]本专利技术的第一个目的是提供一种纳米刀具涂层，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；所述支撑层与所述界面层之间、所述界面层和所述功能顶层之间通过纳米波纹结构连接。
[0010]本专利技术所述的纳米刀具涂层面向Ti/CFRP叠层构件(由钛合金与碳钎维复合材料组成)，钛合金与TaO材料间不易发生粘结，同时WS2材料具有良好的润滑性能，所以界面层和功能顶层分布选择了WS2/TaO和TiAlN/WS2/TaO，支撑层TiAlTaN中含Ta元素，与界面层中TaO材料间具有更好的匹配性。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述刀具基体为高速钢、硬质合金或陶瓷。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述支撑层、界面层和功能顶层的厚度均为1
‑
2μm。纳米刀具涂层的总厚度在不超过10μm，如太厚，涂层的结合强度会降低。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述多层纳米涂层中WS2层厚度为55
‑
65nm；TaO层厚度为70
‑
85nm，总层数为10
‑
30层。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述纳米波纹结构的深度为5
‑
20nm，宽度为20
‑
150nm，槽间距为150
‑
300nm。
[0015]本专利技术的第二个目的是提供一种所述的纳米刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0016]S1、通过TiAl合金靶在预处理后的基体表面磁控溅射沉积Ti，得到过渡层；
[0017]S2、氮气气氛下，使用TiAl合金靶和Ta靶，通过磁控溅射在S1步骤所述过渡层表面沉积TiAlTaN梯度涂层，采用飞秒激光技术在梯度涂层表面加工出纳米波纹结构，得到支撑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米刀具涂层，其特征在于，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；所述支撑层与所述界面层之间、所述界面层和所述功能顶层之间通过纳米波纹结构连接。2.根据权利要求1所述的纳米刀具涂层，其特征在于，所述刀具基体为高速钢、硬质合金或陶瓷。3.根据权利要求1所述的纳米刀具涂层，其特征在于，所述支撑层、界面层和功能顶层的厚度均为1
‑
2μm。4.根据权利要求1所述的纳米刀具涂层，其特征在于，所述多层纳米涂层中WS2层厚度为55
‑
65nm；TaO层厚度为70
‑
85nm，总层数为10
‑
30层。5.根据权利要求1所述的纳米刀具涂层，其特征在于，所述纳米波纹结构的深度为5
‑
20nm，宽度为20
‑
150nm，槽间距为150
‑
300nm。6.权利要求1
‑
5任一项所述的纳米刀具涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过TiAl合金靶在预处理后的基体表面磁控溅射沉积Ti，得到过渡层；S2、氮气气氛下，使用TiAl合金靶和Ta靶，通过磁控溅射在S1步骤所述过渡层表面沉积TiAlTaN梯度涂层，采用飞秒激光技术在梯度涂层表面加工出纳米波纹结构，得到支撑层；S3、氧气气氛下，使用WS2靶和Ta靶，通过磁控溅...

【专利技术属性】
技术研发人员：张克栋，刘亚运，刘同舜，郭旭红，王呈栋，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：