[發明專利]一種自組織納米結構氧氮化物硬質涂層及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110287357.2
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113174562A
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 張騰飛;譚君國;王啟民
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/32;C23C14/02
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 張燕玲

本發明屬于涂層材料技術領域，公開了一種自組織納米結構氧氮化物硬質涂層及其制備方法和應用。所述涂層由下到上包括基體、AlTiN過渡層和AlCrSiON自組織納米多層；AlCrSiON自組織納米多層涂層由富氮層和富氧層交替自組織形成，其中富氮層為非晶包裹納米晶的納米復合結構。本發明自組織納米結構氧氮化物涂層可結合氮化物涂層的高硬度、高韌性和氧化物涂層高熱化學穩定性、高耐磨性的優點；本發明所采用的制備方法和技術操作方便，工藝簡單，過程可控，沉積速度快，成本低，適用于大規模的工業生產。

技術領域

本發明屬于涂層材料技術領域，特別涉及一種自組織納米結構氧氮化物硬質涂層及其制備方法和應用。

背景技術

在工件表面鍍覆一層硬質涂層可以降低摩擦，減少工件的磨損，可有效提高產品的表面硬度、韌性、高溫穩定性和耐磨性，從而提高產品的使役時長。現代制造業對切削刀具的性能要求越來越高，而且，在磨擦環境中使用的零部件摩擦損耗極大，例如內燃機中的活塞環、各種模具等，在其表面鍍覆硬質涂層可以延長其使用壽命。硬質涂層材料已廣泛應用于汽車制造、地質鉆探、刀具模具工業、船舶輪機、航空航天等領域。

基于性能良好的AlTiN和AlCrN硬質涂層，研究者采用PVD技術制備出AlCrON、AlTiON等氧氮化物硬質涂層。基于氧化物涂層高溫性能穩定好、熱導率低的特點，氧氮化物涂層高溫摩擦性能優于氮化物涂層，熱導率降低4-8倍，應用于刀具上在切削不銹鋼和鑄鐵等被加工材料時已表現出優于氮化物涂層的性能。盡管如此，氧氮化物涂層的綜合性能仍有待提高，富氮的氧氮化物涂層結構和性能與氮化物涂層類似，高溫穩定性、摩擦性能較氧化物涂層差；而富氧時涂層的韌性和硬度急劇下降。通過優化的結構設計可以組合氮化物涂層和氧化物涂層的優點，使氧氮化物硬質涂層兼具硬度高、韌性好和優異的高溫性能。

納米復合及納米多層是納米結構涂層的重要結構形式。納米復合涂層是納米晶被包裹在呈網狀骨架結構非晶相中而形成的復合結構涂層。形成納米復合結構要求納米晶相與非晶相之間互不相溶，如Sui Xu等人研究的AlTiSiN涂層是一種納米晶相與非晶相共存的復合結構體系，納米級的AlTiN晶相被包裹在網狀Si₃N₄非晶相中，這種網狀骨架結構限制了AlTiN晶粒的長大，受Hall-Petch效應的影響，達到細晶強化的效果，使涂層力學性能如硬度等得到提升。

納米多層涂層具有單層涂層難以達到的性能。納米多層涂層是由兩種或兩種以上成分的單層薄膜交替沉積而成，每交替沉積完成一個周期的多層膜稱為一個調制周期。由于調制層間的晶格錯配、模板效應、模量差效應等作用，納米多層涂層可獲得超硬效應，涂層硬度和耐磨損性能都能得到顯著提高，同時可以改善涂層的韌性和熱穩定性。在以往對氧氮化物涂層的諸多研究中，氧化物多以非晶態存在且模量差異不明顯，不滿足模量差效應的增強條件，非晶態氧化物的增多也會造成涂層硬度的下降。但劉艷、Wei Li等人在研究TiN/SiO₂、AlTiN/AlON納米多層涂層時發現，當氧化物層足夠薄，在納米多層中以氮化物模板贗晶化外延生長時，可使硬度獲得提高。K.Yalamanchili、P.C.Wo等人發現，納米多層共格強化、多層增韌和相變增韌等協同作用可獲得硬度高、韌性好的ZrN/ZrAlN、TiN/TiSiN納米多層涂層。

發明內容

為了克服現有技術中存在的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種自組織納米結構氧氮化物硬質涂層；該涂層包括AlTiN過渡層、富氮層和富氧層交替沉積的AlCrSiON納米多層涂層，其中富氮層為典型的納米復合結構，使所述涂層具備高硬度、高韌性。

本發明的又一目的在于提供一種上述自組織納米結構氧氮化物硬質涂層的制備方法；該方法利用電弧離子鍍技術制備AlCrSiON納米結構涂層，通過涂層成分和結構設計使涂層兼具納米復合及納米多層結構，可調控其成分、調制結構、物相結構及力學性能，綜合多種強化機制對涂層結構進行設計并制備，得到一種高硬高韌的納米結構氧氮化物硬質涂層。