CN111270202B - 一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层及其制备方法，所述涂层由Ti1‑x‑ yAlxMe′yN层和Ti1‑x‑yAlxMe″yN层两种性能差异层在刀具基体表面分别呈现厚度递减、递增趋势交替沉积而得。制备方法包括如下步骤：制备刀具基体；对刀具基体进行预处理；采用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上以递减、递增不同趋势交替沉积Ti1‑x‑yAlxMe′yN层和Ti1‑x‑yAlxMe″yN层得到一种切削用成分结构双梯度功能涂层。对于普通结构多元涂层，本发明提供的一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层实现了多元元素复合效应更大化和梯度结构设计更优化，在降低涂层应力保证良好膜基、膜膜结合力的同时，使涂层的耐磨性、抗冲击性、热稳定性得到进一步提升，相应涂层刀具的加工寿命、服役可靠性也大幅提升。

Description

一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及切削用的涂层刀具领域，特别涉及一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层及其制备方法。
背景技术
在涂层应用中，简单的单层涂层已难以满足现代高速加工和难加工材料日益增多对刀具性能的苛刻要求，现代刀具涂层结构向着超厚、多层、梯度结构等方向发展。其中梯度涂层梯度的设计思想来源于上世纪80年代日本学者提出的“功能梯度材料”概念。相对于传统结构涂层，梯度结构涂层可以提供基体与涂层热膨胀系数和力学性能的平缓过渡，降低涂层内应力，改善涂层的结合力和强韧性，在高速切削下使涂层不易剥落和崩裂，极大延长涂层刀具寿命。
中国专利“申请号201910042017.6”中通过高铝、中铝、低铝含量钛铝电弧靶材和钇溅射靶依次沉积得到一种梯度结构的TiAlSiYN多元纳米涂层，该涂层与基体结合牢固，同时具有良好的韧性和减摩性能。中国专利“申请号201911142333.7”中提供了一种双结构的多层涂层刀具及其制备方法，自基体材料开始，依次沉积结合层、梯度层和功能层，梯度层分别以N元素和Al元素为梯度变量，形成第一梯度层MeN层和第二梯度层MeAlN层的双梯度层结构涂层，含这种双结构的多层涂层刀具膜基结合力提升，刀具切削寿命延长。此外，通过N2流量、压力的调控，形成的N元素含量梯度变化涂层和通过Si元素由基体表面梯度增加的“内软外硬”结构涂层。但是，可以看到，目前梯度结构涂层的设计大多为单一元素、单一组元涂层或分层式叠加形成不同成分涂层的梯度涂层。一方面，无法更好的综合利用多元元素的复合效应，涂层的性能提升幅度受限；另一方面，叠加式形成的不同成分梯度涂层在两梯度层交接处的性能转变也成为裂纹萌生或抑制裂纹扩展的薄弱点，且涂层与涂层间的结合力降低，进而影响涂层的整体稳定性和综合服役表现。
因此，有必要提供一种能实现多元元素复合效应更大化和梯度结构设计更优化，提高涂层性能的新型梯度涂层。
发明内容
本发明提供了一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层及其制备方法，其目的是为了实现多元元素复合效应更大化和梯度结构设计更优化，提高涂层综合性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层，所述涂层包括交替沉积于刀具基体表面的Ti1-x-yAlxMe′yN层和Ti1-x-yAlxMe″yN层；其中，Me′为B、C、Ta、Nb、V、W、Y元素中的一种或多种；Me″为Si、Zr元素中的一种或多种；所述Ti1-x- yAlxMe′yN层中0.3≤x≤0.65，0.01≤y≤0.2，所述Ti1-x-yAlxMe″yN中0.3≤x≤0.65，0.01≤y≤0.2；
所述Ti1-x-yAlxMe′yN层和Ti1-x-yAlxMe″yN层两种性能差异层在刀具基体表面分别呈现厚度递减、递增趋势交替沉积。
作为优选，自刀具基体表面起每一相邻Ti1-x-yAlxMe′yN层与Ti1-x-yAlxMe″yN层构成一个周期，每一周期的总厚度为m，Ti1-x-yAlxMe′yN与层Ti1-x-yAlxMe″yN依次递减、递增沉积的厚度变化量为n，各层n值的波动量为±10％；所述0.01μm≤m≤1μm；所述厚度变化量n的范围为0.001μm≤n≤0.5μm；所述Ti1-x-yAlxMe′yN层、Ti1-x-yAlxMe″yN单层厚度≥0.001μm
作为优选，当Me′为BC时，B、C原子比例为10:1≥B:C≥1:10，B、C原子个数百分比≥0.01。
作为优选，所述涂层总厚度为0.5～15μm。
作为优选，所述刀具基体为粉末冶金法制备而成的硬质合金或金属陶瓷。
本发明还提供了一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备刀具基体并进行研磨、喷砂和抛光处理；
(2)对刀具基体进行预处理，包括清洗干燥、氩离子轰击刻蚀及活化处理；
(3)采用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上以递减、递增不同趋势交替沉积Ti1-x- yAlxMe′yN层和Ti1-x-yAlxMe″yN层；于真空下自然冷却至温度小于200℃后出炉，得到一种切削用成分结构双梯度功能涂层。
作为优选，所述阴极电弧离子镀技术基体偏压为30～150V，靶源电流为100～240A，所用工作气体为氮气，氮气压力为0.5～10Pa。
作为优选，所述步骤(3)中阴极电弧离子镀技术具体为：通入工作气体N2并保持压力为0.5～10Pa，设定初始偏压为30～150V，工件架转速为1.2～1.8r/min，同时开启Ti1-x- yAlxMe′y靶和Ti1-x-yAlxMe″y靶，设定沉积时间内Ti1-x-yAlxMe′y靶弧源电流为180～240A递减至120～160A，Ti1-x-yAlxMe′y靶弧源电流为120～160A递增至180～240A，沉积时间150-240min，得到一种切削用成分结构双梯度涂层。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
(1)本发明创新性提出成分结构双结构涂层设计，从基体材料表面由内到外同时依次递减、递增两种性能优势存在差异性的多组元涂层，综合了梯度结构涂层设计优势和多组元元素的复合效应，实现了两种性能优势差异涂层性能的更优结合。
(2)本发明以Ti1-x-yAlxMe′yN层(Me′为B、C、Ta、Nb、V、W、Y等增韧减摩元素)和Ti1-x- yAlxMe″yN层(Me″为Si、Zr等增硬耐磨元素)两种性能优势差异涂层搭配，从基体材料表面由内到外同时依次递减、递增的梯度涂层结构实现了基体与涂层、涂层与涂层间的热力学性能平缓过渡，保证了良好膜基结合力、膜膜结合力的同时，对于加工服役过程中裂纹的萌生与扩展也起到很好的抑制作用；交替沉积的多层涂层结构也阻碍了单层涂层柱状晶的进一步生长，涂层晶粒得到明显细化。
(3)本发明成分结构双梯度复合涂层在保证了良好膜基结合力、膜膜结合力的同时兼具了优异耐磨性与良好抗冲击性能，多组元纳米复合效应使涂层整体抗氧化性能、高温稳定性也得到进一步提升，即使在严苛工况下服役可靠性也得到保障，加工寿命明显提升。
以TiAlSiN与TiAlBCN两种多组元涂层搭配为例，从基体材料表面由内到外同时依次递增、递减的梯度涂层结构实现了基体与涂层、涂层与涂层间的热力学性能平缓过渡，保证了良好膜基结合力、膜膜结合力的同时，对于加工服役过程中裂纹的萌生与扩展也起到很好的抑制作用。TiAlSiN涂层中Si元素的引入形成了由非晶Si3N4相包裹TiAlN纳米晶粒的纳米复合结构，呈现出很好的增硬效应，涂层耐磨性提升，同时阻碍了高温下TiAlN相的分解，进而改善涂层的抗氧化性能和热稳定性；TiAlBCN涂层B元素的加入，形成了较多非晶相BN，涂层的高温稳定性提升；C元素的加入生成无定形非晶相C起到自润滑作用，大大降低了刀具服役过程中与作用工件间的摩擦系数，从而提高了刀具的耐磨性；此外这种无定形的C弥散分布于涂层中还起到了增韧强化效果。同时梯度增加、减少两种性能优势存在差异的多组元成分结构双梯度涂层，更大化实现多元元素的复合效应。
附图说明
图1本发明的成分结构双梯度功能涂层的结构示意图；
图2采用压入法测量涂层结合力的涂层压痕形貌照片。
附图标记说明：
1-刀具基体；2-TiAlMe′N涂层；3-TiAlMe″N涂层；a实施例1涂层；b实施例2涂层；c实施例3涂层；d对比例1涂层；e对比例2涂层；f对比例3涂层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的问题，提供了一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层，所述涂层包括交替沉积于刀具基体表面的Ti1-x-yAlxMe′yN层和Ti1-x-yAlxMe″yN层；其中，Me′为B、C、Ta、Nb等增韧减摩元素；Me″为Si和Zr等增硬耐磨元素；所述Ti1-x-yAlxMe′yN层中0.3≤x≤0.65，0.01≤y≤0.2，所述Ti1-x-yAlxMe″yN中0.3≤x≤0.65，0.01≤y≤0.2；所述Ti1-x- yAlxMe′yN层和Ti1-x-yAlxMe″yN层两种性能差异层在刀具基体表面分别呈现厚度递减、递增趋势替沉积。
自刀具基体表面起每一相邻Ti1-x-yAlxMe′yNT层与Ti1-x-yAlxMe＂yN层构成一个周期，每一周期的总厚度为m，Ti1-x-yAlxMe＇yN与层Ti1-x-yAlxMe″yN依次递碱、递增沉积的厚度变化量为n，各层n值的波动量为±10％；所述0.01μm≤m≤1μm，所述厚度变化量n的范围为0.001μm≤n≤0.5μm；所述Ti1-x-yAlxMe＇yN层、Ti1-x-yAlxMe＂yN单层厚度≥0.001μm。
其中，当Me＇为BC时，B、C原子比例为10:1≥B:C≥1:10，B、C原子个数百分比≥0.01；涂层总厚度为0.5～15μm；Ti1-x-yAlxMe＇yN层、Ti1-x-yAlxMe＂yN单层厚度≥0.001μm；刀具基体为粉末冶金法制备而成的硬质合金或金属陶瓷。
相应的，本发明还提供了一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备刀具基体并进行研磨、喷砂和抛光处理；
(2)对刀具基体进行预处理，包括清洗干燥、氩离子轰击刻蚀及活化处理；
(3)采用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上以递减、递增不同趋势交替沉积Ti1-x- yAlxMe＇yN层和Ti1-x-yAlxMe＂yN层；于真空下自然冷却至温度小于200℃后出炉，得到一种切削用成分结构双梯度功能涂层。
其中，所述阴极电弧离子镀技术基体偏压为30～150V，靶源电流为100～240A，所用工作气体为氮气，氮气压力为0.5～10Pa；步骤(3)中阴极电弧离子镀技术具体为：通入工作气体N2并保持压力为0.5～10Pa，设定初始偏压为30～150V，工件架转速为1.2～1.8r/min，同时开启Ti1-x-yAlxMe′y靶和Ti1-x-yAlxMe″y靶，设定沉积时间内Ti1-x-yAlxMe′y靶弧源电流为180～240A递减至120～160A，Ti1-x-yAlxMe′yN靶弧源电流为120～160A递增至180～240A，沉积时间150-240min，得到一种切削用成分结构双梯度涂层。
下列所选实施例中，选用尺寸为20*6.5*5.25mm的长条样做基础性能检测，选用刀具基体型号为WNMG080408-BM硬质合金车削用刀片、刀具基体型号为APMT1605PDER-FM硬质合金模具钢铣削用刀片做切削性能对比。各实施例中除涂层部分不同之外，涂层前后处理均相同，具体实施步骤如下：
1、利用粉末冶金工艺对硬质难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末和粘结金属(Fe、Co、Ni)粉末进行湿磨、喷雾干燥、压制、烧结成型后并经过一系列工序的机械后序加工和后续工艺处理得到刀具基体研磨品；对刀具基体研磨品涂层前处理与超声清洗，以达到去污要求和良好的表面质量，然后送入涂层设备进行相应涂层的涂覆沉积。涂层炉内本底真空为5x10-2Pa，采用红外线加热管方式将刀具产品加热至300℃。然后继续用红外线加热管结合等离子体继续加热(通入Ar，流量为80sccm)，并辅以H2还原处理，加热控制温度设定为500℃，加热处理时间为60min。
2、涂层前采用氩离子对刀具基体表面进行轰击刻蚀，进一步去除刀具基体表面脏化物，并活化刀具基体表面改善刀具基体与涂层的结合：通入工作气体Ar，保持炉内压力为2.5x10-1Pa；开启偏压电源，电压为180V；开启离子源，电流为120A。刻蚀时间为45min。
3、利用阴极电弧离子镀沉积相应实施例涂层。
实施例1
利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积Ti0.3Al0.6(BC)0.1N/Ti0.3Al0.6Si0.1N(B:C原子比为1:1，原子成分为理论设计值)成分结构双梯度功能涂层，自刀具基体表面起每一相邻Ti0.3Al0.6(BC)0.1N层与Ti0.3Al0.6Si0.1N层构成一个周期，每一周期的总厚度为m(m值为0.6μm)，Ti0.3Al0.6(BC)0.1N层与Ti0.3Al0.6Si0.1N层依次递碱、递增沉积的厚度变化量为n(n值为0.1μm)，各层n值的波动量为±10％。此实施例通过开启、关闭不同靶材，控制不同靶材沉积时间，进而递增、递减不同成分涂层厚度，具体沉积过程如下：通入工作气体N2并保持压力为4Pa，设定偏压为60V，工件架转速为1.58r/min，弧源电流为195A，依次开启、关闭TiAlBC靶和TiAlSi靶，交替沉积TiAlBCN与TiAlSiN涂层，其中开启TiAlBC靶的沉积时间从基体表面依次减少，而开启TiAlSi靶沉积时间依次增加，总沉积时间200min，最终形成(TiAlBCN0.5/TiAlSiN0.1)/(TiAlBCN0.4/TiAlSiN0.2)/…/(TiAlBCN0.1/TiAlSiN0.5)成分结构双梯度涂层(此处下标数字代表每层涂层设计厚度)，实际涂层总厚度为2.97μm。
实施例2
利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积Ti0.3Al0.6(BC)0.1N/Ti0.3Al0.6Si0.1N(B:C原子比为8:2，原子成分为理论设计值)成分结构双梯度功能涂层，自刀具基体表面起每一相邻Ti0.3Al0.6(BC)0.1N层与Ti0.3Al0.6Si0.1N层构成一个周期，每一周期的总厚度为m(m值为0.02μm)，Ti0.3Al0.6(BC)0.1N层与Ti0.3Al0.6Si0.1N层依次递碱、递增沉积的厚度变化量为n(n值为0.005μm)，各层n值的波动量为±10％。此实施例通过靶源电流的梯度变化来控制不同靶材蒸发离化速率，进而递增、递减不同成分涂层厚度，具体沉积过程如下：通入工作气体N2并保持压力为3.5Pa，设定偏压为60V，工件架转速为1.8r/min，同时开启TiAlBC靶和TiAlSi靶，设定沉积时间内TiAlBC靶弧源电流为220A递减至160A，TiAlSi靶弧源电流为140A递增至200A，沉积时间为180min，最终形成纳米级层厚变化的TiAlBCN/TiAlSiN成分结构双梯度涂层，实际涂层总厚度为3.12μm。
实施例3
利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积Ti0.3Al0.6Ta0.1N/Ti0.3Al0.6Zr0.1N成分结构双梯度功能涂层，自刀具基体表面起每一相邻Ti0.3Al0.6Ta0.1N层与Ti0.3Al0.6Zr0.1N层构成一个周期，每一周期的总厚度为m(m值为0.02μm)，Ti0.3Al0.6Ta0.1N层与Ti0.3Al0.6Zr0.1N层依次递碱、递增沉积的厚度变化量为n(n值为0.005μm)，各层n值的波动量为±10％。此实施例通过靶源电流的梯度变化来控制不同靶材蒸发离化速率，进而递增、递减不同成分涂层厚度，具体沉积过程如下：通入工作气体N2并保持压力为3Pa，设定偏压为50V，工件架转速为1.8r/min，同时开启TiAlTa靶和TiAlZr靶，设定沉积时间内TiAlTa靶弧源电流为200A递减至120A，TiAlZr靶弧源电流为140A递增至200A，沉积时间为180min，最终形成纳米级层厚变化的TiAlTaN/TiAlZrN成分结构双梯度涂层，实际涂层总厚度为3.08μm。
对比例1
对比例1为与上述实施例同样选用尺寸为20*6.5*5.25mm的长条样做基础性能检测，选用刀具基体型号为WNMG080408-BM硬质合金车削用刀片、刀具基体型号为APMT1605PDER-FM硬质合金模具钢铣削用刀片做切削性能对比，采用相同的阴极电弧离子镀技术沉积制备Ti0.33Al0.67N单层均一涂层，涂层厚度3.14μm。
对比例2
对比例2为与上述实施例同样选用尺寸为20*6.5*5.25mm的长条样做基础性能检测，选用刀具基体型号为WNMG080408-BM硬质合金车削用刀片、刀具基体型号为APMT1605PDER-FM硬质合金铣刀片做切削性能对比，采用相同的阴极电弧离子镀技术沉积制备在刀具基体上依次沉积Ti0.33Al0.67N/(Ti0.33Al0.67N+Ti0.3Al0.6Si0.1N)/Ti0.3Al0.6Si0.1以Si含量递增的梯度涂层，涂层厚度3.02μm。
对比例3
对比例3为与上述实施例同样选用尺寸为20*6.5*5.25mm的长条样做基础性能检测，选用刀具基体型号为WNMG080408-BM硬质合金车削用刀片、刀具基体型号为APMT1605PDER-FM硬质合金铣刀片做切削性能对比，采用相同的阴极电弧离子镀技术沉积制备在刀具基体上依次交替沉积Ti0.3Al0.6(BC)0.1N/Ti0.3Al0.6Si0.1N涂层，调制周期值与单层涂厚恒定(周期值为0.02μm，TiAlBCN层厚0.012μm，TiAlSiN层厚0.008μm)，涂层厚度3.10μm。
采用压入法定性表征实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例1涂层、对比例2涂层、对比例3涂层的涂层附着力：用洛氏硬度计压入待测涂层，通过扫描电镜观察得到压痕周围涂层裂纹剥落情况，进而定性表征涂层附着力强度。实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例1涂层、对比例2涂层、对比例3涂层的涂层附着力等级分别为HF2、HF1、HF1、HF2、HF3、HF2(HF-1～6代表涂层附着力强度，数字越小代表涂层附着力越强)。说明这种成分梯度双结构涂层具有足够的结合强度，要优于传统的梯度结构涂层。
采用CSM公司Micro-Combi Tester型纳米压痕模块对各长条合金样品的纳米硬度和弹性模量进行测定，为了保证测试结果准确性，待测涂层样品表面进行了湿喷砂后处理，以减小涂层表面液滴的影响，同时每个样品测量10个点取得平均值，结果如表1所示。H3/E2可反映涂层的韧性，其值越大，代表涂层韧性越好。结果表明：不同于传统梯度涂层即对比例涂层2和交替沉积的对比例涂层3，上述含Si元素梯度涂层和交替沉积结构涂层其涂层纳米硬度增加，但涂层韧性却降低。而实施例1、实施例2、实施例3这种成分结构双梯度涂层其涂层相纳米硬度增加的同时，涂层也具有更好的韧性、抗塑性变形能力。
表1实施例与对比例刀具涂层的纳米压痕实验结果
涂层种类 纳米硬度(GPa) 弹性模量(GPa) H<sup>3</sup>/E<sup>2</sup>值
实施例1涂层 38.1 429.8 0.299
实施例2涂层 39.4 442.5 0.312
实施例3涂层 40.2 461.2 0.305
对比例1涂层 31.5 348.4 0.257
对比例2涂层 34.2 425.6 0.221
对比例3涂层 37.3 452.4 0.253
选用刀具基体型号为WNMG080408-BM硬质合金车削用刀片，分别沉积实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例1涂层、对比例2涂层、对比例3涂层按照相同的切削加工条件进行加工，具体切削参数如下：
加工材料SUS304不锈钢
切削速度Vc＝250/min
每齿进给量Fz＝0.15mm/r
切削深度ap＝0.8mm
冷却方式为乳液冷却
涂层刀具性能评估采用同寿命和全寿命两种标准，同寿命即切削相同时间，对比刀具前后刀面的磨损失效情况；全寿命以后面均匀磨损量VB达到0.25mm或刀具涂层剥落、崩刃明显、机床震动较大。
试刀结果如表2显示，同寿命下，在连续车削15min后实施例1涂层刀具后刀面磨损量VB为0.075mm，实施例2涂层刀具后刀面磨损量VB为0.054mm，实施例3涂层刀具后刀面磨损量VB为0.062mm，对比例1涂层刀具后刀面磨损量VB为0.155mm，对比例2涂层刀具后刀面磨损量VB为0.096mm，对比例3涂层刀具后刀面磨损量VB为0.112mm。全寿命下，实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2涂层、对比例3涂层刀具完全失效时切削时间分别为45min、51min、49min、29min、35min、31min，可以看出在半精加工工况车削不锈钢，本实施案例成分结构双梯度涂层切削性能要优于单层AlTiN涂层和传统含Si元素梯度涂层，其中实施例1涂层刀具相对于对比例1、对比例2涂层刀具、对比例3涂层刀具切削寿命分别提升了55.2％、28.6％、45.1％，实施例2涂层刀具相对于对比例1、对比例2涂层、对比例3刀具切削寿命分别提升了75.8％、45.7％、64.5％，实施例3涂层刀具相对于对比例1、对比例2涂层、对比例3刀具切削寿命分别提升了68.9％、40.0％、58.1％。
表2实施例涂层与对比例涂层刀具切削性能
Figure BDA0002413951240000091
选用刀具基体型号为APMT1605PDER-FM硬质合金铣刀片，沉积实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例1涂层、对比例2涂层、对比例3涂层按照相同的切削加工条件进行加工，具体切削参数如下：
加工材料NAK80模具钢(HRC40)
切削速度Vc＝130/min
每齿进给量Fz＝0.4mm/r
切削深度ap＝0.5mm
冷却方式为气冷
涂层刀具性能采用全寿命评估，主要通过铣刀片涂层是否大块剥落、发生崩刀、烧刀现象来判断。
试刀结果如表3显示，切削参数较大的连续铣削加工下，实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例1涂层、对比例2涂层、对比例3涂层刀具达到完全失效时参与工件铣削时间分别9min56s、10min34s、10min12s、7min48s、5min56s、6min12s。可以看出，对比例2涂层(传统梯度含Si元素涂层)对比例3涂层在对刀具抗冲击性能要求较高条件下的服役性能不尽人意，而本发明实施例中的成分结构双梯度涂层在该工况下依然具有不错的表现，其中实施例1、实施例2、实施例3涂层刀具相对于应用广泛的AlTiN涂层，切削寿命分别提升了27.3％、35.5％、30.8％。
表3实施例涂层与对比例涂层刀具切削性能
Figure BDA0002413951240000101
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员和专业研究人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，如采用磁控溅射技术或其他物理气相沉积技术沉积制备上述设计概念涂层、打底层修饰层涂层的增加、其他多组元成分涂层的简单替换等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层，其特征在于，所述涂层包括交替沉积于刀具基体表面的Ti1-x-yAlxMe′yN层和Ti1-x-yAlxMe″yN层；其中，Me′为B、C、Ta、Nb、V、W、Y元素中的一种或多种；Me″为Si、Zr元素中的一种或多种；所述Ti1-x-yAlxMe′yN层中0.3≤x≤0.65，0.01≤y≤0.2，所述Ti1-x-yAlxMe″yN中0.3≤x≤0.65，0.01≤y≤0.2；
所述Ti1-x-yAlxMe′yN层和Ti1-x-yAlxMe″yN层两种性能差异层在刀具基体表面分别呈现厚度递减、递增趋势交替沉积；自刀具基体表面起每一相邻Ti1-x-yAlxMe′yNT层与Ti1-x-yAlxMe″yN层构成一个周期，每一周期的总厚度为m，Ti1-x-yAlxMe′yN与层Ti1-x-yAlxMe″yN依次递减、递增沉积的厚度变化量为n，各层n值的波动量为±10％；所述0.01μm≤m≤1μm，0.001μm≤n≤0.5μm，所述Ti1-x-yAlxMe′yN层、Ti1-x-yAlxMe″yN单层厚度≥0.001μm。
2.根据权利要求1所述的一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层，其特征在于，当Me′为BC时，B、C原子比例为10:1≥B:C≥1:10，B、C原子个数百分比≥0.01。
3.根据权利要求1所述的一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层，其特征在于，所述涂层总厚度为0.5～15μm。
4.根据权利要求1所述的一种切削刀具用成分结构双梯度功能涂层，其特征在于，所述刀具基体为粉末冶金法制备而成的硬质合金或金属陶瓷。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的切削刀具用成分结构双梯度功能涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备刀具基体并进行研磨、喷砂和抛光处理；
(2)对刀具基体进行预处理，包括清洗干燥、氩离子轰击刻蚀及活化处理；
(3)采用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上以递减、递增不同趋势交替沉积Ti1-x- yAlxMe′yN层和Ti1-x-yAlxMe″yN层；于真空下自然冷却至温度小于200℃后出炉，得到一种切削用成分结构双梯度功能涂层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阴极电弧离子镀技术基体偏压为30～150V，靶源电流为100～240A，所用工作气体为氮气，氮气压力为0.5～10Pa。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中阴极电弧离子镀技术具体为：通入工作气体N2并保持压力为0.5～10Pa，设定初始偏压为30～150V，工件架转速为1.2～1.8r/min，通过开启、关闭不同Ti1-x-yAlxMe′y、Ti1-x-yAlxMe″y靶材，控制不同靶材沉积时间，进而递增、递减不同成分涂层厚度；或同时开启Ti1-x-yAlxMe′y靶和Ti1-x-yAlxMe″y靶，设定沉积时间内Ti1-x-yAlxMe′y靶弧源电流为180～240A递减至120～160A，Ti1-x-yAlxMe′y靶弧源电流为120～160A递增至180～240A，沉积时间150-240min，得到一种切削用成分结构双梯度涂层。
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