CN101712215A - 一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层及其制备方法，该纳米梯度复合多层涂层是在硬纸合金、洛氏硬度超过HRC60的铁基工具或模具基体上，依次由TiN膜、梯度变化Ti(CxN1-x)膜和TiCN膜组成结构为TiN/Ti(CxN1-x)/Ti(CN)纳米复合多层涂层，其中x＝0-0.5。本发明的涂层制备方法包括表面预处理、预加热、表面清洗刻蚀、过渡层制备、梯度层制备和表面层制备等步骤。本发明制备的涂层硬度HV达到28-32GPa，涂层同基体结合力超过55N，提高了TiCN系列涂层同基体的结合力和耐磨性，提高了工、模具的工作效率和使用寿命。

Description

一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及工、模具涂层，具体涉及一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层及其制备方法，TiCN系列纳米梯度复合多层涂层具体是TiN/Ti(CxN1-x)/Ti(CN)梯度纳米复合多层涂层。
背景技术
先进制造行业的需求对工、模具表面涂层技术提出了严苛的要求：高硬度、高耐磨性、高精密度、高生产效率、环保等。自上世纪七十年代在工具领域采用化学气相沉积(CVD)制备TiN以来，研究结果表明TiN中的部分N原子可以被C原子取代，形成晶体结构相似的TiCxN1-x组分(其中，X＝0-1)，随着含碳量增加，硬度相应提高。从涂层的耐磨性、冲击韧性等综合考虑，Ti(C0.5N0.5)(俗称TiCN)具有最佳的耐摩擦磨损能力：它同时兼备了TiN同基体结合力高及TiC耐磨性好的优点。因此，TiCN在工模具领域得到极大应用，其制备技术也获得长足发展。
CVD法制备TiCN系列涂层，最大的缺点是高温制备。虽然近来研究开发了中温CVD制备(MT-CVD)方法，但温度仍然在600℃以上，足以造成铁基工、模具基体材料的变质，且制备中需要采用有毒的TiCl4气体源。随着涂层技术的发展，单层多元涂层逐渐被多层复合涂层所取代。通过不同组分的涂层组合，可以以发挥各种涂层的优越性能。研究表明，当涂层中每层膜厚度为20-50纳米左右时，由于材料晶体结构中的点缺陷和线缺陷(位错)几乎不存在，故其硬度和韧性等性能可达到材料本身最佳状态。甚至通过有效控制每一组成层的厚度，可以形成周期调制的”超晶格”结构，从而使涂层的硬度/弹性模量获得大幅度提高。物理气相沉积(PVD)反应溅射制备方法通过有效的公自传结构设计易于制备纳米复合多层结构涂层。
虽然其他系列的先进涂层技术(如多元Ti-Al-N，DLC，Ti-Si-N等)近年来相继开发应用，但在较低切削速率、要求高精度、带有润滑的条件下，如汽车零部件加工用滚刀、汽轮机转子加工用“枞树”型铣刀，仍然广泛采用TiCN系列涂层。国外采用多层复合涂层，尤其纳米复合涂层研究应用较多，较有代表性的TiCN系列涂层为：Carmet公司和Kennametal公司的工具涂层，其结构为TiC/TiCN/TiN、TiC/TiCN/Al2O3、TiCN/TiC/TiCN；Sandvik Coromant的TiCN-TiN/Al2O3-TiN、Widia公司的TiC/TiCN/TiN/Al(O，N)/TiN涂层；不二越公司的OSG型涂层，其结构为TiN/TiCN/Ti，采用Ti金属作外涂层的最外层，涂层的整体硬度将会有所降低，该层将在使用过程中快速被磨除。上述涂层均由无数纳米薄层组合而成，一定数量的纳米薄层组成一个区域，在该区域内成分一定，不发生变化，区域之间存在明显的成分突变。这种区域界面的成分突变将导致物理力学参数的突变，如弹性模量、导热性、热膨胀系数等，从而在涂层中产生较大内应力，诱发界面附近率先出现裂纹，进而导致涂层破裂和剥离。
如何提高涂层同基体间的结合力、同时提高涂层的耐磨性，避免使用过程中涂层崩落是先进涂层十分关注的问题。在TiCxN1-x组分(其中，X＝0-1)中，TiC具有最高的硬度(HV3300-4000)和最低的热膨胀系数(7.8×10-6/℃)，但是该成分很脆，韧性差；TiN具有最低的硬度(HV1900-2400)和最高的热膨胀系数(8.3×10-6/℃)，但该成分具有最佳的韧性，Al2O3-TiC-TiN基金属陶瓷中随着TiN含量增加材料的断裂韧性升高(卢红宪，许舟，蒋明学.高温体系Al2O3-TiC-TiN基金属陶瓷的制备和性能[J]。火工品，2007(3)：47-49)；TiCN的性能介于上述二者之间，硬度为HV2600-3200，热膨胀系数为8.1×10-6/℃。工、模具使用中期望涂层具有充分的韧性和结合力，因此从涂层的使用角度来看，TiC并非理想的涂层-基体结合层材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种适宜于在硬纸合金、洛氏硬度超过HRC60的铁基工具或模具基体表面处理的、具有高结合力、高耐磨性的TiCN系列纳米梯度复合多层涂层。
本发明的另一目的在于提供上述TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法。
本发明在至少配备空心阴极(HCD)等离子体源(HCD电子枪)及阴极多弧离子源的真空镀膜设施中进行。镀膜设备需要具备可公、自转的工件机构，公、自转速度可分别独立控制，以便获得每一单层尺度小于100nm的薄层。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层：该纳米梯度复合多层涂层是在硬纸合金、洛氏硬度超过HRC60的铁基工具或模具基体上，依次由TiN膜、梯度变化Ti(CxN1-x)膜和TiCN膜组成结构为TiN/Ti(CxN1-x)/Ti(CN)纳米复合多层涂层，其中x＝0-0.5。
TiN/Ti(CxN1-x)/Ti(CN)纳米复合多层涂层的最内层TiN厚度占涂层总厚度的5-10％，Ti(CxN1-x)占涂层总厚度的50-80％，最外层Ti(CN)占涂层总厚度的10-40％。
TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：
(1)表面预处理：将工具或模具置于碱性金属清洗液煮沸30-120分钟表面除油；室温下将工具或模具置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理5-15分钟；将清洗后的工具或模具放入纯乙醇溶液脱水处理后干燥；
(2)预加热：将经过预处理的工具或模具装入镀膜炉中，抽真空达到5×10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为2.0-4.0×10-1Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧后，控制HCD电子枪电流在110-180A；HCD源的直流等离子体电弧直接照射工具或模具表面，直到真空室内达到100℃-200℃；
(3)表面清洗刻蚀：通入Ar维持镀膜炉真空室压力为2-4×10-1Pa，调整HCD枪电流为120-140A；对工件施加300-800V脉冲偏压；启动1-3个阴极多弧钛靶，溅射出来的钛离子在电场作用下轰击工具或模具表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清洗刻蚀工具或模具45-60分钟，镀膜炉真空室室内温度不超过300℃；
(4)过渡层制备：关闭步骤(2)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(2)中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加到2.1-5.0×10-1Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，HCD电子枪电流为130-160A；蒸发坩锅中纯钛3-7分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调节N2流量，保持真空压力为0.5-1.5Pa，启动至少2个阴极多弧钛靶，靶电流为80-90A：先对工件施加300-400V偏压，施加5-10分钟后；然后自300-400V偏压逐渐降低到150V，降低偏压过程持续10-20分钟后关闭；
(5)梯度层制备：调节N2和C2H2的通入量，保持镀膜炉真空室内压力为1.0-1.5×10-1Pa，启动3-4个阴极多弧Ti靶，靶电流70-80A；按照以下顺序依次调节气体通入量并对工件施加脉冲偏压；首先调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝1∶10，对工件施加300V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝2∶10，对工件施加200-150V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；随后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝4∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝8∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；最后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝9∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；
(6)表面层制备：保持真空室内压力为1.0-1.5×10-1Pa，调节N2和C2H2的流量达到PC2H2∶PN2＝1∶1，开动4个阴极多弧靶，靶电流降低至70A，对工件施加80-150V脉冲偏压，施加涂制时间10-30分钟；涂制结束时真空室内温度低于400℃。
为进一步实现本发明目的，步骤(2)所述的镀膜炉真空度优选为2.5×10-1Pa；HCD电子枪电流优选为130-160A。
步骤(3)所述的镀膜炉真空度优选为2.5×10-1Pa。
步骤(4)所述HCD枪电流优选为140A；蒸发坩锅中纯钛5分钟后关闭HCD电子枪。
步骤(6)表面层制备还包括TiCN顶层的氮化处理以获得兰灰色色彩，关闭C2H2，关闭阴极多弧钛靶后，保持N2通入量，调节Ar通入量，使真空室内压力增加到2.0×10-1Pa，启动HCD电子枪和镀膜炉内辅助加热装置，真空室内温度保持为TiCN涂层结束时的温度30分钟，然后关闭Ar和HCD电子枪，继续保持N2通入量直到镀膜炉真空室温度降低到70℃以下。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)所述制备过程中HCD电子枪用于加热工件、清洗刻蚀试样表面、作为Ti蒸发能源。制备过程要求镀膜炉真空室初始真空度＜5×10-3Pa；镀膜炉真空室内温度为＜400℃，不会对铁基基体材料组织产生明显影响。
(2)涂层与基体结合的过渡层TiN采用蒸发反应与溅射反应结合，避免了结合处界面上较大尺寸熔滴颗粒的出现，通过后续高偏压溅射，进一步强化了该层同基体的结合强度。
(3)从过渡层TiN到涂层顶层TiCN，碳含量逐渐增加，避免了涂层中较大的成分突变。在沉积成分梯度过渡层Ti(CxN1-x)中保持真空度为1.0-1.5×10-1Pa，通过调制N2及C2H2的分压比控制涂层中含碳量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。
实施例1硬质合金刀片的表面处理
应用在钢轨加工用环形硬质合金刀片的TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：
(1)刀片预处理：将刀片置于“强力”牌碱性金属清洗液煮沸30分钟表面除油；室温下将刀片置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机(频率40kHz)中超声处理5分钟；将清洗后的刀片放入纯乙醇溶液脱水处理后置于120℃的烘箱中干燥60分钟；
(2)刀片预加热：将经过预处理的刀片装入Balzers公司生产的BD 802088BE真空镀膜炉中，抽真空达到5×10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为1-4×10-1Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；控制HCD电子枪电流在160A；HCD源的直流等离子体电弧直接照射工具或模具表面，15分钟后真空室温度184℃。
(3)表面清洗刻蚀：继续保持镀膜炉真空室内压力为2.3×10-1Pa、调整HCD电子枪电流为140A。按照以下顺序依次开动一定数量阴极多弧钛靶，靶电流90A，并对工件施加偏压：先启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加800V脉冲偏压，施加8分钟后关闭；其后启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加600V脉冲偏压，施加16分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加400V脉冲偏压，施加24分钟后关闭。清洗结束真空室内温度259℃。
(4)过渡层制备：关闭步骤(2)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(2)中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加到3.0×10-1Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，蒸发坩锅中纯钛5分钟后关闭HCD电子枪、Ar气源；调节N2流量，保持真空压力为1Pa，按照以下顺序依次启动阴极多弧钛靶，靶电流为85A，并对工件施加偏压：先启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加400V脉冲偏压，施加8分钟后关闭；随后启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加300V脉冲偏压，施加2分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加250V脉冲偏压，施加5分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加200V脉冲偏压，施加5分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加150V脉冲偏压，施加5分钟后关闭。
(5)梯度层制备：调节N2和C2H2的通入量，保持镀膜炉真空室内总压力为1.5×10-1Pa，按照以下顺序启动阴极多弧钛靶，并对工件施加偏压，靶电流80A；首先调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝1∶10，对工件施加300V脉冲偏压，施加8分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝2∶10，对工件施加200V脉冲偏压，施加4分钟后，调整工件偏压为150V，继续施镀4分钟后关闭；随后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝4∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加8分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝8∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加8分钟后关闭；最后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝9∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4分钟后关闭。
(6)表面层制备：保持真空室内压力为1.5×10-1Pa，调节N2和C2H2的流量达到PC2H2∶PN2＝1∶1，开动4个阴极多弧钛靶，靶电流降低至70A，对工件施加150V脉冲偏压，施加20分钟；涂制结束时镀膜炉真空室内温度383℃。关掉电弧和所有气源，冷却至真空室内温度70℃后出炉。
所得涂层外观呈紫红色，球磨痕迹测试涂层的总厚度为4.3μm；NANO力学探针测试涂层硬度为31.01GPa；声发射划痕仪测试涂层-基体结合力73N。
实施例2高Co含量高速钢枞树型铣刀(Ф25)修磨后表面重涂
铣刀用于加工汽轮机转子根槽，原铣刀自日本进口的SG型铣刀，使用后对刃口重新修磨，表面涂制TiCN系列纳米梯度复合多层涂层，包括如下步骤和工艺条件：
(1)铣刀预处理：将铣刀置于“强力”牌碱性金属清洗液煮沸120分钟表面除油；室温下将铣刀置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机(频率40kHz)中超声处理5分钟；将清洗后的铣刀放入纯乙醇溶液脱水处理后置于120℃的烘箱中干燥60分钟；
(2)铣刀预加热：将经过预处理的铣刀装入Balzers公司生产的BD 802088BE真空镀膜炉中，抽真空达到5×10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为2.5×10-1Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；控制HCD电子枪电流在130A；HCD源的直流等离子体电弧直接照射工具或模具表面，20分钟后真空室温度134℃。
(3)表面清洗刻蚀：继续保持镀膜炉真空室内压力为2.5×10-1Pa、HCD电子枪电流为130A。按照以下顺序依次开动一定数量阴极多弧钛靶，靶电流90A，并对工件施加偏压：先启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加800V脉冲偏压，施加4分钟后关闭；其后启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加600V脉冲偏压，施加10分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加400V脉冲偏压，施加30分钟后关闭。清洗结束真空室内温度207℃。
(4)过渡层制备：关闭步骤(3)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(3)中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加到3.0×10-1Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，蒸发坩锅中纯钛5分钟后关闭HCD电子枪、Ar气源；调节N2流量，保持真空压力为1.5Pa，按照以下顺序依次启动阴极多弧钛靶，靶电流为80A，并对工件施加偏压：先启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加300V脉冲偏压，施加5分钟后关闭；随后启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加250V脉冲偏压，施加5分钟后关闭。再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加200V脉冲偏压，施加5分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加150V脉冲偏压，施加5分钟后关闭。
(5)梯度层制备：调节N2和C2H2的通入量，保持镀膜炉真空室内总压力为1.0×10-1Pa，按照以下顺序启动阴极多弧钛靶，并对工件施加偏压，靶电流80A；首先调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝1∶10，对工件施加250V脉冲偏压，施加8分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝2∶10，对工件施加200V脉冲偏压，施加4分钟后，调整工件偏压为150V，继续施镀4分钟后关闭；随后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝4∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加8分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝8∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加8分钟后关闭；最后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝9∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4分钟后关闭。
(6)表面层制备：保持真空室内压力为1.5×10-1Pa，调节N2和C2H2的流量达到PC2H2∶PN2＝1∶1，开动4个阴极多弧钛靶，靶电流为70A，对工件施加150V脉冲偏压，施加10分钟；涂制结束时镀膜炉真空室内温度247℃。关闭C2H2，关闭阴极多弧钛靶后，保持N2通入量，调节Ar通入量，使真空室内压力增加2.0×10-1Pa，启动HCD电子枪和镀膜炉内辅助加热装置，真空室内温度仍然保持为247℃30分钟，然后关闭Ar和HCD电子枪，继续保持N2通入量直到镀膜炉真空室温度降低到70℃后出炉。
所得涂层外观呈灰色泛兰，球磨痕迹测试涂层的总厚度为3.7μm；NANO力学探针测试涂层硬度为30.4GPa；声发射划痕仪测试涂层-基体结合力58N。
实施例3冷作模具钢SKD1合金试片表面处理
实验用SKD1牌号合金(淬火+回火处理后洛氏硬度为HRC63)切割成为10×10×20(mm)的矩形样品，并将其中一面经研磨、抛光处理，以便涂层处理后测试相关性能。
(1)样品铣刀预处理：将样品置于“强力”牌碱性金属清洗液煮沸60分钟表面除油；室温下将样品置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机(频率40kHz)中超声处理10分钟；将清洗后的铣刀放入纯乙醇溶液脱水处理后置于120℃的烘箱中干燥60分钟；
(2)样品预加热：将经过预处理的样品装入Balzers公司生产的BD 802088BE真空镀膜炉中，抽真空达到5×10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为2.0×10-1Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；控制HCD电子枪电流在110A；HCD源的直流等离子体电弧直接照射工具或模具表面，30分钟后真空室温度112℃。
(3)表面清洗刻蚀：继续保持镀膜炉真空室内压力为2.0×10-1Pa、调整HCD电子枪电流为120A。按照以下顺序依次开动一定数量阴极多弧钛靶，靶电流80A，并对工件施加偏压：先启动1个阴极多弧钛靶，对工件施加800V脉冲偏压，施加2分钟后关闭；其后启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加600V脉冲偏压，施加13分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加400V脉冲偏压，施加30分钟后关闭。清洗结束真空室内温度165℃。
(4)过渡层制备：关闭步骤(2)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(2)中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加到2.3×10-1Pa；调整HCD电子枪电流为130A并聚焦直流电弧于坩埚，蒸发坩锅中纯钛5分钟后关闭HCD电子枪、Ar气源；调节N2流量，保持真空压力为1.5Pa，按照以下顺序依次启动阴极多弧钛靶，靶电流为80A，并对工件施加偏压：先启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加300V脉冲偏压，施加10分钟后关闭；随后启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加250V脉冲偏压，施加2分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加200V脉冲偏压，施加4分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加150V脉冲偏压，施加4分钟后关闭。
(5)梯度层制备：调节N2和C2H2的通入量，保持镀膜炉真空室内总压力为1.3×10-1Pa，按照以下顺序启动阴极多弧钛靶，并对工件施加偏压，靶电流80A；首先调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝1∶10，对工件施加250V脉冲偏压，施加4分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝2∶10，对工件施加200V脉冲偏压，施加4分钟后，调整工件偏压为150V，继续施镀4分钟后关闭；随后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝4∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝8∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4分钟后关闭；最后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝9∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加6分钟后关闭。
(6)表面层制备：保持真空室内压力为1.3×10-1Pa，调节N2和C2H2的流量达到PC2H2∶PN2＝1∶1，开动4个阴极多弧钛靶，靶电流为70A，对工件施加150V脉冲偏压，施加20分钟；涂制结束时镀膜炉真空室内温度188℃。关闭C2H2，、N2和和阴极多弧钛靶后，镀膜炉真空室温度降低到70℃后出炉。
所得涂层外观呈紫色，球磨痕迹测试涂层的总厚度为2.3μm；NANO力学探针测试涂层硬度为29.2GPa；声发射划痕仪测试涂层-基体结合力60N。

Claims (7)

1.一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层，其特征在于：该纳米梯度复合多层涂层是在硬纸合金、洛氏硬度超过HRC60的铁基工具或模具基体上，依次由TiN膜、梯度变化Ti(CxN1-x)膜和TiCN膜组成结构为TiN/Ti(CxN1-x)/Ti(CN)纳米复合多层涂层，其中x＝0-0.5。
2.根据权利要求1所述的TiCN系列纳米梯度复合多层涂层，其特征在于：TiN/Ti(CxN1-x)/Ti(CN)纳米复合多层涂层的最内层TiN厚度占涂层总厚度的5-10％，Ti(CxN1-x)占涂层总厚度的50-80％，最外层Ti(CN)占涂层总厚度的10-40％。
3.权利1要求所述TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：
(1)表面预处理：将工具或模具置于碱性金属清洗液煮沸30-120分钟表面除油；室温下将工具或模具置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理5-15分钟；将清洗后的工具或模具放入纯乙醇溶液脱水处理后干燥；
(2)预加热：将经过预处理的工具或模具装入镀膜炉中，抽真空达到5×10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为2.0-4.0×10-1Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧后，控制HCD电子枪电流在110-180A；HCD源的直流等离子体电弧直接照射工具或模具表面，直到真空室内达到100℃-200℃；
(3)表面清洗刻蚀：通入Ar维持镀膜炉真空室压力为2-4×10-1Pa，调整HCD枪电流为120-140A；对工件施加300-800V脉冲偏压；启动1-3个阴极多弧钛靶，溅射出来的钛离子在电场作用下轰击工具或模具表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清洗刻蚀工具或模具45-60分钟，镀膜炉真空室室内温度不超过300℃；
(4)过渡层制备：关闭步骤(2)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(2)中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加到2.1-5.0×10-1Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，HCD电子枪电流为130-160A；蒸发坩锅中纯钛3-7分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调节N2流量，保持真空压力为0.5-1.5Pa，启动至少2个阴极多弧钛靶，靶电流为80-90A：先对工件施加300-400V偏压，施加5-10分钟后；然后自300-400V偏压逐渐降低到150V，降低偏压过程持续10-20分钟后关闭；
(5)梯度层制备：调节N2和C2H2的通入量，保持镀膜炉真空室内压力为1.0-1.5×10-1Pa，启动3-4个阴极多弧Ti靶，靶电流70-80A；按照以下顺序依次调节气体通入量并对工件施加脉冲偏压；首先调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝1∶10，对工件施加300V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝2∶10，对工件施加200-150V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；随后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝4∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；然后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝8∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；最后调节通入气体流量，保持PC2H2∶PN2＝9∶10，对工件施加150V脉冲偏压，施加4-10分钟后关闭；
(6)表面层制备：保持真空室内压力为1.0-1.5×10-1Pa，调节N2和C2H2的流量达到PC2H2∶PN2＝1∶1，开动4个阴极多弧靶，靶电流降低至70A，对工件施加80-150V脉冲偏压，施加涂制时间10-30分钟；涂制结束时真空室内温度低于400℃。
4.根据权利要求3所述的TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的镀膜炉真空度为2.5x10-1Pa；HCD电子枪电流为130-160A。
5.根据权利要求3所述的TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的镀膜炉真空度为2.5x10-1Pa。
6.根据权利要求3所述的TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述HCD枪电流为140A；蒸发坩锅中纯钛5分钟后关闭HCD电子枪。
7.根据权利要求3所述的TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法，其特征在于：步骤(6)表面层制备还包括TiCN顶层的氮化处理以获得兰灰色色彩，关闭C2H2，关闭阴极多弧钛靶后，保持N2通入量，调节Ar通入量，使真空室内压力增加到2.0x10-1Pa，启动HCD电子枪和镀膜炉内辅助加热装置，真空室内温度保持为TiCN涂层结束时的温度30分钟，然后关闭Ar和HCD电子枪，继续保持N2通入量直到镀膜炉真空室温度降低到70℃以下。
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