CN104846332B - 一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法，该涂层包括从内到外涂覆于刀具基体的Cr金属结合层、CrN过渡层、梯度结构纳米周期性TiSiN‑TiAlN支撑层、纳米复合TiAlSiCN功能层和DLC表面润滑层。梯度结构纳米周期性TiSiN‑TiAlN支撑层，大大降低了内应力，改善了涂层的结合强度和韧性；表面润滑层DLC具有较低的摩擦系数，可以减少磨料磨损，提高刀具寿命，本发明所述复合涂层具有超过80 N的结合力，小于0.12Gpa的内应力，高于40 GPa的硬度，低达0.2的摩擦系数，可有效提高切削实验表明涂层刀具寿命，包含本发明所述涂层的刀具适合高速条件下的铝合金和高硬度钢材料切削加工。

Description

一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂层合成技术领域，更具体地，涉及一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

现代化的金属切削加工，要求刀具有高切削速度、高进给速度、高精度和良好的切削控制性等性能。同时，高硬度、高耐磨性材料正越来越多地被用来制造汽车发动机零件以及精密模具等。这些材料硬度高达HRC 48-65，加工时切削力大且切削温度高，导致刀具快速失效，对刀具综合性能要求十分苛刻。刀具的性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。大多数刀具材料在使用过程中出现失稳、损伤和破坏，都是从表面开始的。涂层刀具是将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，而硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数的特点，使刀具的性能得到大大提高。随着高速切削技术和难加工材料的发展，刀具涂层材料已进入到多元、多层和纳米结构的新阶段。

纳米复合涂层刀具的性能与涂层的结构设计有紧密的关系。多层或梯度的涂层设计可提高涂层与基体的结合力、涂层韧性和抗裂纹扩展能力，实现各层所具有的复合功能，专利号为201110176393.8的中国专利公开了一种含周期性涂层的复合涂层刀具，该复合涂层包括位于底层的TiAlN基底层和位于表层的周期性涂层，该周期性涂层是以“TiSiN层到TiAlSiN层到TiAlN层”为一个循环周期的多周期涂层，该周期性涂层缓解了涂层内部应力、阻止裂纹扩展，使复合涂层保持高硬度、优异的高温抗氧化能力及高温稳定性能，但该道具涂层的摩擦系数还不能达到高速条件下的铝合金和高硬度钢材料切削加工，使用寿命较短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有刀具涂层研究技术的不足，提供一种硬度高、摩擦系数低、韧性好的纳米复合涂层。

本发明的第二个目的是提供含有上述涂层的刀具。

本发明的第三个目的是提供上述刀具的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种超润滑纳米多层复合涂层刀具，包括刀具基体和从内到外涂覆于刀具基体的Cr金属结合层、CrN过渡层、梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层、纳米复合TiAlSiCN功能层和DLC表面润滑层。

呈渐变式结构的梯度涂层可以使基体与涂层热膨胀系数和力学性质均匀过渡，从而降低了内应力，改善了涂层的结合强度和韧性，消除刀具涂层的疲劳失效。纳米周期性涂层是指由两种或两种以上成份或结构不同的材料在涂层生长方向上交替沉积而形成的层状结构。纳米周期性涂层的调制周期和调制比相对较易控制，通过对周期性涂层中界面相的存在形式及厚度的控制有助于提升周期性涂层的高温硬度及韧性；同时纳米周期性结构涂层由于大量界面的存在会导致裂纹偏转和能量耗散，可提高涂层的韧性及切削性能。但在技术上获得梯度结构纳米周期性涂层的难点在于找到合适的涂层元素及合适的涂层周期周期及周期厚度，从而达到提高涂层韧性和结合强度，同时降低涂层应力的目的。

同时发明人通过实验发现，采用梯度结构纳米周期性支撑层的涂层的综合韧性、结合强度大幅度提高，涂层应力大大减小。相比于单纯的梯度涂层或者周期性涂层效果好很多。

本发明各层的作用为：Cr金属结合层可以提高复合涂层的结合力，CrN过渡层用以提高结合层和支撑层的结合性及结合强度，梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层用以降低、纳米复合TiAlSiCN功能层和DLC表面润滑层。梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层用以降低多层复合涂层的内应力，提高涂层的结合强度和韧性，降低内应力；纳米复合TiAlSiCN功能层兼具高硬度及低摩擦系数，在切削高硬度、高耐磨性难加工材料方面具有良好的表现，而表面润滑层DLC具有较低的摩擦系数，可以减少磨料磨损，提高刀具寿命。

发明人采用这样的涂层搭配是为了实现各层的复合功能，在提高结合离，韧性，降低应力的同时降低涂层的摩擦系数，实现在涂层刀具在高速加工难加工材料方面的优异表现。

同时，发明人通过实验研究发现，每个涂层的厚度同样会影响刀具的性能，涂层过厚会对复合涂层与刀具基体之间的结合强度产生消极影响（涂层后不仅产生过高的应力，还容易导致涂层剥落），涂层过薄，则不能达到最优的刀具性能，因此，优选地，所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层是以TiSiN层到TiAlN层为一个循环周期的多周期涂层，所述以TiSiN层到TiAlN层为一个循环周期的涂层厚度为6～24 nm；所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层的厚度为400～800 nm。

优选地，所述纳米复合TiAlSiCN功能层的厚度为2～4 µm；所述Cr金属结合层的厚度为80～260 nm；CrN过渡层的厚度为300～500 nm；DLC表面润滑层的厚度为300～800 nm。

所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层中Si元素的含量从CrN过渡层到纳米复合TiAlSiCN功能层逐渐增加，Al元素含量逐渐减小，其中，Si原子百分比为4～6 at.%，Al原子百分比为32～24 at.%。

所述TiAlSiCN功能层为纳米复合涂层结构，即纳米晶（Ti，Al）N镶嵌于非晶C和非晶Si₃N₄中，其中纳米晶（Ti，Al）N颗粒的尺寸位于4～9 nm之间；TiAlSiCN功能层中各元素的含量同样影响复合涂层的力学性能，优选地，所述纳米复合TiAlSiCN功能层中各原子百分比如下：38～47 at.% Ti、20～27 at.% Al、6～12 at.% Si、3～8 at.% C、40～49 at.% N。

所述DLC表面润滑层为Sp³，Sp²杂化结构。

本发明还提供上述纳米多层复合涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

S1. 对刀具进行辉光清洗后，开启金属Cr电弧靶，沉积Cr金属结合层；通入N₂，打开Cr电弧靶，在Cr金属结合层上沉积CrN过渡层；

S2. 开启TiSi和TiAl合金靶，逐渐减小TiAl靶电流同时增大TiSi靶电流，在CrN过渡层上沉积梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层；

S3. 开启TiAl合金电弧靶，开启双极脉冲磁控溅射Si和石墨靶，通入N₂，Ar和C₂H₂，在梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层上沉积纳米复合TiAlSiCN功能层；

S4. 开启双极脉冲磁控溅射石墨靶，通入Ar和C₂H₂，制备DLC表面润滑层。

更进一步，S1中，辉光清洗的条件为：当真空室的本底真空度为5´10^-4～6´10^-3Pa时，通入Ar气并控制气压在4´10^-2～1´10^-1 Pa，基片温度300～500℃，开启阳极层离子源电压在1000-1500V，电流2-5A，基片架转速2-4 rpm，负偏压-900～-1300 V，轰击时间20～40min。

所述Cr金属结合层制备如下：辉光清洗后，真空调节为0.3～1.2 Pa，打开电弧离子镀金属Cr靶，对基体轰击20～30min，偏压保持在-700～-1100V，开启阳极层离子源，电压调整在800～900 V，电流2～4 A，获得Cr金属界面结合层，厚度为80～260nm。

CrN过渡层制备如下：金属表面Cr结合层沉积完毕后，偏压降到-150～-200V，通入N₂，控制气压在0.5～1.7 Pa，保持基体温度300～500℃占空比30～80%，基片架转速2-5rpm，电弧电压23～42V，电弧电流60～120A，开始沉积CrN过渡层，沉积20～50 min，厚度为300～500 nm。

S2的操作为：开启TiSi和TiAl合金靶，控制电弧电压15～40V，电弧电流70～120A，调节控制N₂气通入，真空度为0.8～1.8 Pa，负偏压60～120V，占空比40～70%，衬底温度300～480℃，基片转速4～6rpm，采用电弧靶在沉积时间的电流渐变模式，TiSi靶电流从70增大到120A，而TiAl靶的电流从120降到70A，制备梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层，沉积时间60～110min，调制周期6～24 nm，厚度为400～800 nm。

S3操作为：开启TiAl合金靶，控制电弧电压20～40V，电弧电流60～90A，占空比30～80%；开启双极脉冲磁控溅射Si和石墨靶，控制电压在300～500V，电流8～12A，占空比60～80%，调节控制Ar，N₂和C₂H₂通入，真空度控制在1.2～2 Pa，负偏压-40～-120V，衬底温度250～450℃，制备纳米复合TiAlSiCN功能层，沉积时间80～120min，厚度2～4µm。

DLC表面润滑层制备如下：开启双极脉冲磁控溅射石墨靶，控制电压在400～600V，电流在8～18A，占空比60～80%，负偏压50～80V，沉底温度100～150℃，转速2～5 rpm，通入Ar和C2H2，制备类金刚石表面润滑层，制备时间20～50 min，DLC厚度300～800 nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种超润滑纳米多层复合涂层，包括从内到外涂覆于刀具基体的Cr金属结合层、CrN过渡层、梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层、纳米复合TiAlSiCN功能层和DLC表面润滑层；本发明基于在高速切削难加工材料方面有优异表现的TiAlSiCN纳米复合涂层高硬度（大于40Gpa）、梯度结构周期性支撑层低应力以及表层DLC涂层低摩擦系数（小于0.2）的优点；将该涂层与其他涂层复合，由于具有梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层，可以使基体与涂层热膨胀系数和力学性质均匀过渡，从而降低了内应力，改善了涂层的结合强度和韧性；同时表面润滑层DLC具有较低的摩擦系数，可以减少磨料磨损，消除刀具涂层的疲劳失效，提高刀具寿命。实验测试表明，该超润滑纳米多层梯度支撑多层纳米复合涂层集合了功能层TiAlSiCN高硬度，支撑层低应力及表面润滑层低摩擦系数的优点，具有超过80 N的结合力，小于0.12Gpa的内应力，高于40 GPa的硬度，低达0.2的摩擦系数，可有效提高切削实验表明涂层刀具寿命，包含本发明所述涂层的刀具适合高速条件下的铝合金和高硬度钢材料切削加工。

附图说明

图1为实施例1制得的功能层TiAlSiCN的透射电镜TEM（a）和选区电子衍射图（b）。

图2是实施例1制得的功能层TiAlSiCN的X射线衍射图像。

图3是实施例2制得的梯度结构纳米周期性多层支撑层的截面TEM图像。

图4是实施例3制得的表面润滑层类金刚石涂层在不同测试功率下（红色100W，绿色 150 W）的Raman图像。

图5是实施例4制得的超润滑纳米多层梯度支撑多层纳米复合涂层的硬度-压入深度曲线。

图6是实施例4制得的超润滑纳米多层梯度支撑多层纳米复合涂层的摩擦系数曲线。

图7为未涂层刀具与实施例4刀具的后刀面磨损情况比较示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

将键槽铣刀清洗干净并用N₂吹干后放入样品的基片架上，当真空室的本底真空度为5´10^-4Pa时，通入Ar气并控制气压在4´10^-2Pa，基片温度400℃，开启阳极层离子源，电压为1200V，电流3A，基片架转速3 rpm，负偏压-900 V，轰击时间30 min。辉光清洗后，真空调节为0.8 Pa，打开电弧离子镀金属Cr靶，对基体轰击20 min，偏压保持在-900V，开启阳极层离子源，电压调整在800 V，电流2A，获得Cr金属界面结合层，厚度为120nm。金属表面Cr结合层沉积完毕后，偏压降到-150V，通入N₂，控制气压在0.9 Pa，保持基体温度300℃，占空比70%，基片架转速2 rpm，电弧电压23V，电弧电流60A，开始沉积CrN过渡层，沉积20 min，厚度为300 nm。CrN过渡层沉积结束后，开启TiSi和TiAl合金靶，控制电弧电压20V，电弧电流80A，调节控制N₂气通入，真空度为1.2 Pa，负偏压60V，占空比400%，衬底温度480℃，基片转速4rpm，采用电弧靶在沉积时间的电流渐变模式，TiSi靶电流从70增大到120A，而TiAl靶的电流从120降到70A，制备具有梯度结构的TiSiN-TiAlN纳米多层支撑层，沉积时间90min，调制周期14 nm，厚度为600 nm。 开启TiAl合金靶，控制电弧电压20V，电弧电流60A，占空比30%；开启双极脉冲磁控溅射Si和石墨靶，控制电压在300V，电流8A，占空比60%，调节控制Ar，N₂和C₂H₂通入，真空度控制在1.2 Pa，负偏压-40V，衬底温度250℃，制备TiAlSiCN功能层，沉积时间120min，厚度2.8µm。开启双极脉冲磁控溅射石墨靶，控制电压在400V，电流在8A，占空比80%，负偏压50V，沉底温度100℃，转速4 rpm，通入Ar和C₂H₂，制备类金刚石DLC表面润滑层，制备时间30 min，DLC厚度530 nm。

图1给出实施例1制得的功能层TiAlSiCN涂层的透射电镜（a，TEM）及选区电子衍射（b，XRD）图像。如图1a所示，功能层为纳米镶嵌结构，即纳米颗粒镶嵌于非晶基体中。纳米晶颗粒的大小在18 nm左右。从图1b衍射环的间距可以推断出纳米晶颗粒为（Ti，Al）N。图2给出了主功能层TiAlSiCN涂层的x射线衍射图像，证实了（Ti，Al）N的衍射峰。从图1和图2可以看出，主功能层的结构为纳米晶（Ti，Al）N镶嵌于非晶基体C及Si₃N₄中。

实施例2

用丙酮清洗整体硬质合金键槽铣刀，用N₂吹干后置于腔体内的基片架上。当真空室的本底真空度为3´10^-3Pa时，通入Ar气并控制气压在6´10^-2Pa，基片温度300℃，开启阳极层离子源电压在1200V，电流3A，基片架转速3 rpm，负偏压-1000 V，轰击时间30 min。辉光清洗后，真空调节为0.5 Pa，打开电弧离子镀金属Cr靶，对基体轰击25min，偏压保持在-800V，开启阳极层离子源，电压调整在800 V，电流4 A，获得Cr金属界面结合层，厚度为120nm。金属表面Cr结合层沉积完毕后，偏压降到-180V，通入N₂，控制气压在1.2 Pa，保持基体温度400℃占空比60%，基片架转速3 rpm，电弧电压30V，电弧电流80A，开始沉积CrN过渡层，沉积30 min，厚度为400 nm。CrN过渡层沉积结束后，开启TiSi和TiAl合金靶，控制电弧电压20V，电弧电流80A，调节控制N₂气通入，真空度为1.2 Pa，负偏压80V，占空比60%，衬底温度380℃，基片转速5rpm，采用电弧靶在沉积时间的电流渐变模式，TiSi靶电流从80增大到110A，而TiAl靶的电流从120降到90A，制备具有梯度结构的TiSiN-TiAlN纳米多层支撑层，沉积时间80min，调制周期12 nm，厚度为500 nm。开启TiAl合金靶，控制电弧电压30V，电弧电流80A，占空比60%；开启双极脉冲磁控溅射Si和石墨靶，控制电压在300V，电流10A，占空比60%，调节控制Ar，N₂和C₂H₂通入，真空度控制在1.8 Pa，负偏压-80V，衬底温度350℃，制备TiAlSiCN功能层，沉积时间100min，厚度2.4µm。开启双极脉冲磁控溅射石墨靶，控制电压在400V，电流在10A，占空比70%，负偏压80V，沉底温度100℃，转速5 rpm，通入Ar和C₂H₂，制备类金刚石表面润滑层，制备时间20 min，DLC厚度320 nm。

图3为实施例2制得的涂层的梯度结构纳米周期性多层TiSiN-TiAlN周期调制支撑层的高分辨透射电镜图像（HRTEM）。从图像可以看出纳米多层支撑层的调制周期10～14 nm左右。

实施例3

将键槽铣刀清洗干净并用N₂吹干后放入样品的基片架上，当真空室的本底真空度为8´10^-4Pa时，通入Ar气并控制气压在5´10^-2Pa，基片温度300℃，开启阳极层离子源电压在1000V，电流3A，基片架转速3 rpm，负偏压-900 V，轰击时间30 min。辉光清洗后，真空调节为0.8 Pa，打开电弧离子镀金属Cr靶，对基体轰击20 min，偏压保持在-900V，开启阳极层离子源，电压调整在800 V，电流2A，获得Cr金属界面结合层，厚度为120nm。金属表面Cr结合层沉积完毕后，偏压降到-150V，通入N₂，控制气压在1.0 Pa，保持基体温度300℃，占空比70%，基片架转速2 rpm，电弧电压23V，电弧电流60A，开始沉积CrN过渡层，沉积20 min，厚度为300 nm。CrN过渡层沉积结束后，开启TiSi和TiAl合金靶，控制电弧电压20V，电弧电流80A，调节控制N₂气通入，真空度为1.2 Pa，负偏压60V，占空比400%，衬底温度480℃，基片转速4rpm，采用电弧靶在沉积时间的电流渐变模式，TiSi靶电流从80增大到110A，而TiAl靶的电流从110降到80A，制备具有梯度结构的TiSiN-TiAlN纳米多层支撑层，沉积时间100min，调制周期10 nm，厚度为720 nm。开启TiAl合金靶，控制电弧电压25V，电弧电流80A，占空比50%；开启双极脉冲磁控溅射Si和石墨靶，控制电压在300V，电流6A，占空比50%，调节控制Ar，N₂和C₂H₂通入，真空度控制在1.3 Pa，负偏压-50V，衬底温度250℃，制备TiAlSiCN功能层，沉积时间110min，厚度2.5µm。开启双极脉冲磁控溅射石墨靶，控制电压在400V，电流在10A，占空比80%，负偏压80V，沉底温度100℃，转速3 rpm，通入Ar和C₂H₂，制备类金刚石DLC表面润滑层，制备时间25 min，DLC厚度420 nm。

图4是实施例3制得的表面润滑层DLC拉曼（Raman）图像，可以看出表面润滑层为Sp²和Sp³杂化结构。

实施例4

用酒精和丙酮清洗硬质合金键槽铣刀，用气枪吹干后置于腔体内的基片架上。当真空室的本底真空度为9´10^-4Pa时，通入Ar气并控制气压在1´10^-1 Pa，基片温度500℃，开启阳极层离子源电压在1500V，电流5A，基片架转速4 rpm，负偏压-1300 V，轰击时间40 min。辉光清洗后，真空调节为0.8 Pa，打开电弧离子镀金属Cr靶，对基体轰击30min，偏压保持在-800V，开启阳极层离子源，电压调整在800 V，电流2 A，获得Cr金属界面结合层，厚度为120nm。金属表面Cr结合层沉积完毕后，偏压降到-150V，通入N₂，控制气压在0.9 Pa，保持基体温度500℃占空比80%，基片架转速4 rpm，电弧电压23V，电弧电流60A，开始沉积CrN过渡层，沉积20 min，厚度为320 nm。CrN过渡层沉积结束后，开启TiSi和TiAl合金靶，控制电弧电压30V，电弧电流80A，调节控制N₂气通入，真空度为1.2 Pa，负偏压80V，占空比40%，衬底温度300℃，基片转速6rpm，采用电弧靶在沉积时间的电流渐变模式，TiSi靶电流从90增大到111A，而TiAl靶的电流从111降到90A，制备具有梯度结构的TiSiN-TiAlN纳米多层支撑层，沉积时间60min。调制周期9.6 nm，厚度 720 nm。开启TiAl合金靶，控制电弧电压40V，电弧电流90A，占空比30%；开启双极脉冲磁控溅射Si和石墨靶，控制电压在300V，电流8A，占空比60%，调节控制Ar，N₂和C₂H₂通入，真空度控制在1.5 Pa，负偏压-60V，衬底温度280℃，制备TiAlSiCN功能层，沉积时间80min，厚度2.5µm。开启双极脉冲磁控溅射石墨靶，控制电压在400，电流在8A，占空比80%，负偏压50V，沉底温度110℃，转速2rpm，通入Ar和C₂H₂，制备类金刚石表面润滑层，制备时间30 min，DLC厚度450 nm。

图5和图6分别是实施例4制得的超润滑纳米多层梯度支撑层纳米复合涂层的硬度-压入深度曲线和摩擦系数曲线。可以看出多层纳米复合涂层具有超过40Gpa的硬度和低于0.2的摩擦系数。

图7为本实施例制备的超润滑纳米多层梯度支撑层纳米复合涂层硬质合金铣刀的高速切削情况。铣削材料：淬硬钢；切削线速度：180m/s，进给率0.03mm/tooth，切深0.15mm。

实施例4的复合涂层的铣削性能最好，切削长度超过200 m。

对比例1

实验方法同实施例4，唯一不同的是，其CrN过渡层和TiAlSiCN功能层之间没有采用梯度结构周期性TiSiN-TiAlN纳米多层支撑层。

由对比例1所述方法获得的涂层的摩擦系数0.25、硬度32GPa、但结合力只有50N，在相同条件下进行切割，其切削寿命只有80 m。说明梯度结构周期性TiSiN-TiAlN纳米多层支撑层在提高涂层韧性、结合力及刀具寿命方面具有重要的作用。

Claims (7)

1.一种超润滑纳米多层复合涂层，其特征在于，包括从内到外涂覆于刀具基体的Cr金属结合层、CrN过渡层、梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层、纳米复合TiAlSiCN功能层和DLC表面润滑层；所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层是以TiSiN层到TiAlN层为一个循环周期的多周期涂层，所述以TiSiN层到TiAlN层为一个循环周期的涂层厚度为6～24nm。

2.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层的厚度为400～800nm。

3.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层刀具，其特征在于，所述纳米复合TiAlSiCN功能层的厚度为2～4μm；Cr金属结合层的厚度为80～260nm；CrN过渡层的厚度为300～500nm；DLC表面润滑层的厚度为300～800nm。

4.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层中Si元素的含量从CrN过渡层到纳米复合TiAlSiCN功能层逐渐增加，Al元素含量逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层中，Si原子百分比为4～6at.％，Al原子百分比为32～24at.％。

6.含有权利要求1至5任一项所述纳米多层复合涂层的刀具。

7.权利要求6所述纳米多层复合涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.对刀具进行辉光清洗后，开启金属Cr电弧靶，沉积Cr金属结合层；通入N₂，打开Cr电弧靶，在Cr金属结合层上沉积CrN过渡层；

S2.开启TiSi和TiAl合金靶，逐渐减小TiAl靶电流同时增大TiSi靶电流，在CrN过渡层上沉积梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层；

S3.开启TiAl合金电弧靶，开启双极脉冲磁控溅射Si和石墨靶，通入N₂，Ar和C₂H₂，在梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层上沉积纳米复合TiAlSiCN功能层；

S4.开启双极脉冲磁控溅射石墨靶，通入Ar和C₂H₂，制备DLC表面润滑层。