CN102534493A - 一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为(V_1-xAl_x)N，其中，1-x为0.41～0.6，x为0.4～0.59，在保证较低摩擦系数的同时，能够保证具有较高的硬度，特别适合作为刀具涂层。本发明公开了一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：基体清洗；沉积涂层：在真空室中，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，通入Ar气和N₂气，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，在250℃～500℃和0.3Pa～1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，其可操作性强、可控性好、易于工业化生产，具有较好的经济效益。

Description

一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种硬质涂层及其制备领域，尤其涉及一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层及其制备方法。

背景技术

运用气相沉积技术，将硬质涂层施加于刀具的表面，刀具如烧结碳化物硬质合金、高速工具钢、陶瓷等，已被证明可以显著提高刀具的寿命，并能有效改善工件的切削质量，硬质涂层特别适合施加于合金刀具，用于提高合金刀具的寿命和改善工件的切削质量。这些硬质涂层最典型的代表是钛基二元及多元氮化物，如氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、钛铝氮(TiAlN)、钛硅氮(TiSiN)、钛铝碳氮(TiAlCN)、钛铝硅氮(TiAlSiN)等。其它的硬质涂层包括但不限于，氧化铝(Al₂O₃)、氮化铬(CrN)、铝钛氮(AlTiN)、铝铬氮(AlCrN)等。针对具体的应用场合，这些硬质涂层可以以单层、多层、叠层、多相复合等多种方式在刀具上加以使用。

上述现有的硬质涂层，施加于刀具的表面，沉积有硬质涂层的刀具在切削钛合金、镍合金等一些难加工的合金时，仍存在一些缺陷。具体表现为，在切削的过程中切削区温度高、粘刀现象严重、刀具磨损快、切削困难，而且工件切削表面质量不高。导致这些技术缺陷主要是由于切削过程中摩擦系数过大。因此，针对以上技术缺陷，急需寻找一种低摩擦系数的硬质刀具涂层来替代现有的硬质刀具涂层。

现有技术中，公开号为JP 200334858A的日本专利申请公开了一种涂层，该涂层通过向TiAlN涂层中添加Cr、Zr、V、Mo、Ta、Nb、W、Si、B、Hf等中的一种或多种元素来提高该涂层的性能，虽然该技术方案通过添加其他元素，使得TiAlN涂层的硬度等性能有了一定的提高，但是该涂层的摩擦系数仍然相对较高，将该涂层施加于刀具的表面，刀具的磨损和切削质量都有待进一步提高。

随着多层涂层技术、梯度涂层技术及纳米叠层膜技术的发展，极大地提高了现有涂层的使用性能和应用领域。其中，V基具有显著的高温自润滑性，常被选作为润滑相添加在硬质涂层中，在涂层中V基可以大大提高涂层的高温减磨性能，沉积该涂层的刀具非常适合应用于钛合金、镍合金等难加工合金的切削加工。

公开号为JP 200887114A的日本专利申请公开了一种AlN、CrN、VN、SiN、BrN涂层，其中，VN涂层中V的含量为0.05～0.2。

公开号为JP 200334858A的日本专利申请公开了一种Ti_aCN、Al_bCN、V_cCN涂层，其中，V_cCN涂层中V的含量c的范围为0.05～0.5，当V的含量c值为0.5时，该涂层的硬度为29.5GPa。

公开号为JP 1997941127A的日本专利申请公开了一种(Al_1-yX_y)N涂层，其中，X为Cr、V、Mg的一种或几种，y值的范围为0.1～0.4，当涂层为(Al_0.6V_0.4)N时，该涂层的硬度为18GPa。

上述VN涂层、VcCN涂层和(Al_1-yX_y)N涂层中，当涂层中含V量较低时，致使涂层的润滑性较差；当涂层中含V量达到0.2以上时，虽然涂层的润滑性提高了，但是涂层的硬度又相对较低，无法兼具较高的硬度和较低的摩擦系数，这是由于所形成的涂层为单相固溶体结构，或者是氮化钒与六方相氮化铝(h-AlN)的复合结构，这些复合结构都难以在高钒含量时使涂层具有高硬度。

发明内容

本发明提供了一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，在保证较低摩擦系数的同时，能够保证具有较高的硬度。

一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为(V_1-xAl_x)N，其中，1-x为0.41～0.6，x为0.4～0.59。进一步优选，1-x为0.44～0.56，x为0.44～0.56。更进一步优选，1-x为0.49～0.50，x为0.50～0.51。

本发明纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层通过调幅分解形成两相纳米复合结构来提高涂层硬度。具体而言，在涂层生长过程中引入两相分离，促使原本均匀的三元V-Al-N固溶体，全部或部分发生调幅分解，原位形成纳米尺寸的氮化钒相(VN)和亚稳态的立方氮化铝相(c-AlN)。进一步优选，所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面，提高了涂层的硬度，最高硬度超过40GPa。更进一步优选，所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层中VN晶体颗粒的尺寸为1～10nm，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相隔开，相邻的VN晶体颗粒的间距为1～5nm。

进一步优选，本发明纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的厚度为0.5μm～10μm。在此厚度下，纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层具有较低摩擦系数和较高的硬度，沉积有该厚度涂层的基体能够很好地满足使用要求。

所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层可直接沉积在硬质合金、工具钢、陶瓷等基体上作为刀具涂层，也可以沉积在多层刀具涂层的外层作为硬质润滑涂层，还可作为叠层刀具涂层中的一种叠层组分，提高涂层的高温自润滑性能。

所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层可用于钛合金、镍合金等合金的切削刀具的硬质涂层以及其他耐磨涂层。

本发明提供了一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，其可操作性强、可控性好、易于实施。

所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)基体清洗；

(2)沉积涂层：在真空室中，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为5cm～15cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，进行预溅射，再通入N₂气，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，在250℃～500℃和0.3Pa～1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层；

所述的Al靶的功率密度为2.6～6.0W/cm²，V靶的功率密度为3.5～4.5W/cm²，所述的基体的偏压为-60～-100V。

采用磁控溅射技术，通过直流阴极溅射金属V，中频阴极溅射Al，并与真空室中N₂气反应生成纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层。

本发明可根据需要通过调整制备过程中的工艺参数得到不同x值的V-Al-N纳米复合硬质涂层，主要是通过控制Al靶的功率密度、V靶的功率密度和沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层时的温度来得到不同x值的V-Al-N纳米复合硬质涂层。

步骤(1)中，所述的基体清洗可采用本领域常用的基体清洗方法。

为了取得本发明更好的效果，以下作为本发明的优选：

步骤(1)中，所述的基体清洗包括以下步骤：

先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂中在60～70℃的温度下超声清洗3～10分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂中在50～60℃的温度下超声清洗3～10分钟，再在45～55℃的去离子水中超声清洗0.5～3分钟，最后将清洗后的基体放入95～105℃的真空干燥箱中烘烤3～10分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；

或者，先将基体放入丙酮中在60～70℃的温度下超声清洗3～10分钟，然后放入乙醇中在50～60℃的温度下超声清洗3～10分钟，再在45～55℃的去离子水中超声清洗0.5～3分钟，最后将清洗后的基体放入95～105℃的真空干燥箱中烘烤3～10分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

步骤(1)还包括：在基体沉积涂层之前，采用高压N₂气对基体进行清洗，以清洗掉基体表面有可能附着的气体或微尘颗粒，保持基体足够的清洁度。

步骤(2)中，所述的真空室的本底压强小于等于5×10^-5Pa，可以减少溅射过程中溅射粒子与气体分子间的碰撞，同时能够减少沉积过程中气体分子进入涂层中成为杂质，提高本发明纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的致密度、纯度、沉积速率和与衬底的附着力。所述的Ar气的流量为27～37sccm(standard cubic centimeter per minute，cm³/min)，所述的N₂气的流量为19～29sccm，适当流量的N₂气，可以保证VN相的调制分解的形成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明所提供的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，兼具有高硬度和低摩擦系数的性能，可作为工业化生产中航空航天、汽车、医疗器件等高端领域广泛应用的钛合金、镍合金等合金的切削刀具的硬质涂层以及其他耐磨涂层，特别适合作为刀具涂层，沉积有该涂层的刀具加工效率高、加工质量好，具有很大的应用价值。

本发明纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，其可操作性强、可控性好、易于工业化生产，具有较好的经济效益。

附图说明

图1是实施本发明纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法的装置示意图；

图2为实施例5制备的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的高分辨率透视电镜(HRTE)图，其中，b为a的指定位置放大图；

图3为实施例5制备的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的截面结构示意图；

图4为实施例5制备的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的摩擦系数随温度变化图。

具体实施方式

如图1所示，为实施本发明纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法的装置，包括直流阳极1、与直流阳极1连接的基体2、中频阴极3、直流阴极4、与中频阴极3连接的Al靶5、与直流阴极4连接的V靶6以及挡板7，采用磁控溅射技术，通过中频阴极3连接的Al靶5溅射Al，直流阴极4连接的V靶6溅射金属V，并与真空室中的N₂气反应生成纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层。

所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)基体2清洗：

先将基体2放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂中在60～70℃的温度下超声清洗3～10分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂中在50～60℃的温度下超声清洗3～10分钟，再在45～55℃的去离子水中超声清洗0.5～3分钟，最后将清洗后的基体放入95～105℃的真空干燥箱中烘烤3～10分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；

或者，先将基体2放入丙酮中在60～70℃的温度下超声清洗3～10分钟，然后放入乙醇中在50～60℃的温度下超声清洗3～10分钟，再在45～55℃的去离子水中超声清洗0.5～3分钟，最后将清洗后的基体2放入95～105℃的真空干燥箱中烘烤3～10分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；

(2)沉积涂层：在真空室中，将Al靶5安装在中频阴极3上，V靶6安装在直流阴极4上，Al靶5和V靶6到基体2的距离为5cm～15cm，Al靶5和V靶6通过挡板7与基体2隔离，先通入Ar气，进行预溅射，再通入N₂气，通过调节Al靶5的功率和V靶6的功率，在250℃～500℃和0.3Pa～1.0Pa条件下，对基体2溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层；

所述的Al靶5的功率密度为2.6～6.0W/cm²，V靶6的功率密度为3.5～4.5W/cm²，所述的基体2的偏压为-60～-100V。

步骤(2)中，所述的真空室的本底压强小于等于5×10^-5Pa。

步骤(2)中，所述的Ar气的流量为27～37sccm，所述的N₂气的流量为19～29sccm。

本发明实施例和对比例中的摩擦系数通过摩擦系数测试方法测得，具体如下：采用多功能摩擦磨损试验机(CETR牌，型号为UMT-3)分别在各个温度下测试实施例和对比例制得的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的摩擦性能，对偶材料采用直径4.0mm、硬度RC＝62的440-C不锈钢球，载荷1N，频率1Hz，测试时间30min。

本发明实施例和对比例中纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度测试方法如下：采用美国MTS生产的型号为NANO G200纳米压痕仪测量各膜系的硬度与弹性模量，其配置四面体Berkvich压头，通过设定压入深度(100nm)，载荷随压入深度而改变，每个样品测量6个矩阵点后取平均值。

实施例1

(1)基体清洗：先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为12.2)中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(pH值为9.2)中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(4.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为32sccm，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为2.5W/cm²，V靶的功率密度为3.0W/cm²，基体的偏压为-60V，在300℃和0.8Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，溅射沉积1h，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为V_0.56Al_0.44N，厚度为1μm。该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度为26GPa，在700℃下的摩擦系数为0.37。

通过高分辨率透视电镜图得到，纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1～10nm，相邻的VN晶体颗粒的间距为1～5nm。

实施例2

(1)基体清洗：先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为12.2)中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(pH值为9.2)中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(4.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为32sccm，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为3.75W/cm²，V靶的功率密度为4.0W/cm²，基体的偏压为-60V，在400℃和1Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，溅射沉积1h，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为V_0.52Al_0.48N，厚度为1μm。该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度为30GPa，在700℃下的摩擦系数为0.38。

通过高分辨率透视电镜图得到，纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1～10nm，相邻的VN晶体颗粒的间距为1～5nm。

实施例3

(1)基体清洗：先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为12.2)中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(pH值为9.2)中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(3.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为32sccm，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为3.75W/cm²，V靶的功率密度为4.0W/cm²，基体的偏压为-90V，在300℃和1Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，溅射沉积1h，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为V_0.53Al_0.47N，厚度为1μm。该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度为33GPa，在700℃下的摩擦系数为0.35。

通过高分辨率透视电镜图得到，纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1～10nm，相邻的VN晶体颗粒的间距为1～5nm。

实施例4

(1)基体清洗：先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为12.2)中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(pH值为9.2)中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(2.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为32sccm，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为4.37W/cm²，V靶的功率密度为4.0W/cm²，基体的偏压为-90V，在400℃和0.5Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，溅射沉积1h，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为V_0.50Al_0.50N，厚度为1μm。该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度为43GPa，在700℃下的摩擦系数为0.35。

通过高分辨率透视电镜图得到，纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含AlN晶体结构和若干个VN晶体结构，各个VN晶体结构由AlN晶体结构隔开，VN晶体结构与AlN晶体结构形成共格界面，每个VN晶体结构的尺寸为1～10nm，相邻VN晶体结构的间距为1～5nm。

实施例5

(1)基体清洗：先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为12.2)中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(pH值为9.2)中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(1.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为32sccm，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为4.37W/cm²，V靶的功率密度为4.0W/cm²，基体的偏压为-90V，在300℃和1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，溅射沉积1h，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为V_0.49Al_0.51N，厚度为1μm。该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度为41GPa，在700℃下的摩擦系数为0.30，在500℃下的摩擦系数为0.45，在23℃下的摩擦系数为0.50。

图2为本发明实施例5纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的高分辨率透视电镜(HRTE)图；如图2所示，三元V-Al-N固溶体，全部或部分发生调幅分解，原位形成纳米尺寸的氮化钒相(VN)和亚稳态的立方氮化铝相(c-AlN)，亚稳态的c-AlN与VN形成共格界面I区，提高了涂层的硬度。

纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1～10nm，相邻的VN晶体颗粒的间距为1～5nm。

本实施例5制备的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的截面结构如图3所示，本实施例5制备的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的摩擦系数随温度变化如图4所示。

实施例6

(1)基体清洗：先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为12.2)中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(pH值为9.2)中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(4.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为32sccm，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为5.0W/cm²，V靶的功率密度为4.0W/cm²，基体的偏压为-90V，在300℃和1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，溅射沉积1h，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为V_0.44Al_0.56N，厚度为1μm。该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度为37GPa，在700℃下的摩擦系数为0.38。

通过高分辨率透视电镜图得到，纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1～10nm，相邻的VN晶体颗粒的间距为1～5nm。

实施例7

(1)基体清洗：先将基体放入丙酮中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入乙醇中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(4.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为32sccm，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为5.0W/cm²，V靶的功率密度为4.0W/cm²，基体的偏压为-90V，在300℃和1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，溅射沉积1h，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为V_0.44Al_0.56N，厚度为1μm。该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度为37GPa，在700℃下的摩擦系数为0.39。

通过高分辨率透视电镜图得到，纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1～10nm，相邻的VN晶体颗粒的间距为1～5nm。

对比例1

(1)基体清洗：先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为12.2)中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(pH值为9.2)中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(4.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为32sccm，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为2.5W/cm²，V靶的功率密度为4.0W/cm²，基体的偏压为-90V，在300℃和1.0Pa条件下，对基体溅射沉积V-Al-N涂层，溅射沉积1h，得到V-Al-N涂层，成分表示为V_0.66Al_0.34N，厚度为1μm。该V-Al-N涂层的硬度为13GPa，在700℃下的摩擦系数为0.35。

对比例2

(1)基体清洗：先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为12.2)中在65℃的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(pH值为9.2)中在55℃的温度下超声清洗5分钟，再在50℃的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105℃的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

(2)沉积涂层：在真空室中，真空室的本底压强为(4.5±0.5)×10^-5Pa，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为9.2cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，进行10分钟的预溅射，再通入N₂气，Ar气的流量为32sccm，N₂气的流量为24sccm，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，Al靶的功率密度为4.0W/cm²，V靶的功率密度为6.0W/cm²，基体的偏压为-90V，在300℃和1.0Pa条件下，对基体溅射沉积V-Al-N涂层，溅射沉积1h，得到V-Al-N涂层，成分表示为V_0.33Al_0.67N，厚度为1μm。该V-Al-N涂层的硬度为14GPa，在700℃下的摩擦系数为0.40。

Claims (10)

1.一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，其特征在于，成分表示为(V_1-xAl_x)N，其中，1-x为0.41～0.6，x为0.4～0.59。

2.根据权利要求1所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，其特征在于，成分表示为(V_1-xAl_x)N，其中，1-x为0.44～0.56，x为0.44～0.56。

3.根据权利要求2所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，其特征在于，成分表示为(V_1-xAl_x)N，其中，1-x为0.49～0.50，x为0.50～0.51。

4.根据权利要求1～3任一项所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，其特征在于，所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包含晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面。

5.根据权利要求4所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，其特征在于，所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层中VN晶体颗粒的尺寸为1～10nm，相邻的VN晶体颗粒的间距为1～5nm。

6.根据权利要求1～3任一项所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，其特征在于，所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的厚度为0.5μm～10μm。

7.根据权利要求1～6任一项所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基体清洗；

(2)沉积涂层：在真空室中，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Al靶和V靶到基体的距离为5cm～15cm，Al靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，进行预溅射，再通入N₂气，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，在250℃～500℃和0.3Pa～1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，得到纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层；

所述的Al靶的功率密度为2.6～6.0W/cm²，V靶的功率密度为3.5～4.5W/cmW，所述的基体的偏压为-60～-100V。

8.根据权利要求7所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的真空室的本底压强小于等于5×10^-5Pa。

9.根据权利要求7所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的Ar气的流量为27～37sccm。

10.根据权利要求7所述的纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的N₂气的流量为19～29sccm。

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