CN113322434A - 一种纳米复合涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

一种纳米复合涂层及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米复合涂层及其制备方法与应用。所述纳米复合涂层包括在基底表面依次形成的金属过渡层和CrAlSiN/Zr交替层叠层，其中所述CrAlSiN/Zr交替层叠层由CrAlSiN层和Zr层交替层叠形成，所述CrAlSiN层包括由AlSiN层和CrN层交替层叠形成的纳米多层涂层，所述金属过渡层包括Zr过渡层和/或Cr过渡层。本发明提供的纳米复合涂层中的“层中层”结构，有效阻止了腐蚀介质渗入基底，提升了涂层的抗腐蚀性能，从而实现了抗摩擦腐蚀交互作用的提升；同时制备方法简单易行，可控性高，具有良好的应用前景。

Description

一种纳米复合涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种纳米复合涂层及其制备方法与应用。
背景技术
在海水环境中，由于海水的低电阻率和高含盐量，金属部件极易发生腐蚀作用。如若是机械运动部件，面临的不仅是海水的腐蚀作用，还有零部件之间的摩擦磨损作用；摩擦与腐蚀的交互作用对金属零部件产生了一加一大于二的作用效果，极大的减少了零部件的使用寿命。若能在金属零部件表面镀上具有保护作用的表面涂层，就可以以较低的成本有效地提高零部件的使用寿命。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种纳米复合涂层及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种纳米复合涂层，其特征在于包括在基底表面依次形成的金属过渡层和CrAlSiN/Zr交替层叠层，其中所述CrAlSiN/Zr交替层叠层由CrAlSiN层和Zr层交替层叠形成，所述CrAlSiN层包括由AlSiN层和CrN层交替层叠形成的纳米多层涂层，所述金属过渡层包括Zr过渡层和/或Cr过渡层。
进一步的，所述CrAlSiN/Zr交替层叠层包含11～44个交替层叠周期层，其中每一交替层叠周期层包含一CrAlSiN层和一Zr层。
进一步的，所述CrAlSiN层包含3～5个交替层叠周期层,厚度为50～110nm，其中每一交替层叠周期层包含一AlSiN层和一CrN层。
本发明实施例还提供了前述的纳米复合涂层的制备方法，其特征在于包括：
提供基底；
以及，采用多弧离子镀沉积技术在所述基底表面依次沉积金属过渡层和CrAlSiN/Zr交替层叠层，直至形成所述纳米复合涂层。
本发明实施例还提供了前述的纳米复合涂层于金属部件表面防护领域中的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备的纳米复合涂层采用金属过渡层，提高了涂层与基底的结合力，利用共沉积和交替沉积构造的“层中层”结构，有效阻止了腐蚀介质渗入基底，提升了涂层的抗腐蚀性能，从而实现了抗摩擦腐蚀交互作用的提升；
(2)本发明制备的纳米复合涂层具有良好力学系能和抗摩擦腐蚀交互性能，且纳米复合涂层的硬度为8～23GPa，弹性模量为213～366GPa，结合强度为10～20N，摩擦系数为0.10～0.22。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中制备的纳米复合涂层的SEM图；
图2是本发明实施例1中制备的纳米复合涂层的TEM图；
图3是本发明实施例1制备的纳米复合涂层的结合力测试图；图4是本发明实施例1制备的纳米复合涂层在人工海水环境中摩擦系数图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一个方面提供了一种纳米复合涂层，其包括在基底表面依次形成的金属过渡层和CrAlSiN/Zr交替层叠层，其中所述CrAlSiN/Zr交替层叠层由CrAlSiN层和Zr层交替层叠形成，所述CrAlSiN层是由AlSiN层和CrN层交替层叠形成的纳米多层涂层(即AlSiN/CrN纳米交替多层)，所述金属过渡层包括Zr过渡层和/或Cr过渡层。
在一些较为具体的实施方案中，所述金属过渡层的厚度为400～500nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述CrAlSiN/Zr交替层叠层包含11～44个交替层叠周期层，其中每一交替层叠周期层包含一CrAlSiN层和一Zr层。
作为优选方案，每一所述交替层叠周期层的厚度为100～450nm。
在更为优选方案中，每一所述交替层叠周期层中CrAlSiN层的厚度为50～400nm，Zr层的厚度为40～60nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述CrAlSiN层包含3～5个交替层叠周期层，厚度为50～110nm，其中每一交替层叠周期层包含一AlSiN层和一CrN层。
作为优选方案，每一所述交替层叠周期层中AlSiN层的厚度为8～11nm，CrN层的厚度为8～11nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述纳米复合涂层的硬度为8～23GPa，弹性模量为213～366GPa，结合强度为10～20N，摩擦系数为0.10～0.22。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的纳米复合涂层的制备方法，其包括：
提供基底；
以及，采用多弧离子镀沉积技术在所述基底表面依次沉积金属过渡层和CrAlSiN/Zr交替层叠层，直至形成所述纳米复合涂层。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：将基底置于镀膜装置的真空腔体中，以惰性气体为工作气氛，以Zr靶和/或Cr靶作为靶材，采用多弧离子镀沉积技术在所述基底表面沉积形成金属过渡层，其中，所述Zr靶和/或Cr靶的靶电流为60～80A，偏压为-25～-15V，沉积温度为350～450℃，惰性气体的流量为300～400sccm。
作为优选方案，所述惰性气体包括氩气，且不限于此。
作为优选方案，将基底置于镀膜装置的真空腔体中，并将所述真空腔体抽真空至7～8×10-5mPa，之后对所述基底进行氩等离子刻蚀处理。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：在所述金属过渡层沉积完成后，以氮气为工作气氛，以Cr靶和AlSi靶作为靶材，采用多弧离子镀沉积技术，在所述金属过渡层表面形成CrAlSiN层，其中所述Cr靶和AlSi靶的靶电流为50～70A，偏压为-45～-35V，沉积温度为350～450℃，氮气的流量为550～650sccm；
以惰性气体为工作气氛，以Zr靶作为靶材，采用多弧离子镀沉积技术在所述CrAlSiN层表面沉积形成Zr层，其中，所述Zr靶的靶电流为60～80A，偏压为-30～-20V，沉积温度为350～450℃，惰性气体的流量为300～400sccm；
以及，使所述CrAlSiN层和Zr层交替层叠，直至形成所述CrAlSiN/Zr交替层叠层。
作为优选方案，沉积所述CrAlSiN层时，在腔体内设置Cr靶和AlSi靶两组靶材，两组靶材平行放置，通过间歇性靠近Cr靶和AlSi靶共沉积制备获得由AlSiN层和CrN层交替层叠形成的CrAlSiN层，其中所述基底与Cr靶和AlSi靶的距离为10～15cm。
作为优选方案，所述制备方法还包括：在沉积所述金属过渡层之前，先对基底进行清洗处理。
作为优选方案，所述基底包括不锈钢基底，优选为316不锈钢和/或304不锈钢，且不限于此。
在一些更为具体的实施方案中，所述纳米复合涂层的制备方法具体包括：
(1)将基底表面清洗处理后置于镀膜设备真空腔体中；靶材选用高纯锆靶、高纯铬靶及铝硅合金靶，之后进行涂层沉积；
(2)在氩气气氛中开启高纯锆靶，在所述基底表面沉积形成金属Zr过渡层，厚度400～500nm，其中采用的工艺条件包括：Zr靶靶电流为70A，偏压为-20V，沉积温度为400℃，氮气流量0sccm，氩气流量为350sccm；
(3)在氮气氛围中开启高纯铬靶和铝硅靶在所述金属Zr过渡层表面沉积形成CrAlSiN/Zr交替层叠层中的CrAlSiN层，厚度为50～400nm，其中采用的工艺条件包括：Cr靶和AlSi靶的靶电流为60A，偏压为-40V，温度为400℃，氮气流量600sccm，氩气流量0sccm；
(4)在氮气氛围中开启高纯锆靶，在所述CrAlSiN层表面沉积形成CrAlSiN/Zr交替层叠层中的Zr层，厚度为50nm，其中采用的工艺条件包括：Zr靶靶电流为70A，偏压为-25V，沉积温度为400℃，氮气流量0sccm，氩气流量350sccm；
(5)重复步骤(3)、(4)的沉积过程11～44个周期，直至形成纳米复合涂层
作为优选，将真空腔体抽真空至7～8×10-5mPa。
作为优选，在真空腔体抽真空后采用氩等离子对基底表面进行刻蚀处理。
本发明中的纳米复合涂层包括在基底表面依次形成的金属过渡层和CrAlSiN/Zr交替层叠层，其中所述CrAlSiN/Zr交替层叠层由CrAlSiN层和Zr层交替层叠形成，所述CrAlSiN层是由AlSiN层和CrN层交替层叠形成的纳米多层涂层，即所述纳米复合涂层中的CrAlSiN层同时具有多层交替层叠结构。
本发明制备的纳米复合涂层具有良好力学系能和抗摩擦腐蚀交互性能，测试方法如下：
(1)力学性能测试
采用MTS NanoIndenter G200纳米压痕仪系统和CSM划痕仪测试本发明制备的纳米多层Zr/CrAlSiN交替涂层的纳米硬度、弹性模量和涂层的结合强度；
测试结果：本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层的纳米硬度为8～23GPa,弹性模量为213～366GPa，结合强度为10～20N。
(2)抗摩擦腐蚀交互性能测试
在人工海水环境中，采用线性往复式摩擦机(RTEC MFT5000)与一个三电极体系集成在Sliartron分析电化学工作站上进行抗摩擦腐蚀交互性能测试，具体实验条件为：采用直线往复形式，摩擦对偶球为直径为6mm的YG6(WC+6wt％Co)合金球，单次摩擦距离为5mm，摩擦频率为2Hz，载荷为5N；
测试结果：本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层在实验中的摩擦系数为0.10～0.22，低于传统的单层氮化物涂层。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的纳米复合涂层于金属部件表面防护领域中的用途。
作为优选方案，所述纳米复合涂层优选为海洋环境中机械部件表面耐摩擦或耐腐蚀领域中的用途。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
本实施例中，基底采用长为3cm，宽度为2cm，厚度为3mm的316不锈钢金属片；
本实施例中具有“层中层”结构的纳米复合涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)基底表面清洗除污：将石油醚擦洗的金属片置于丙酮溶液中超声清洗30min，氮气吹干后置于无水乙醇超声清洗20min，氮气吹干；
(2)采用多弧离子镀技术沉积Zr过渡层：
将步骤(1)处理后的金属片置于真空腔体中，抽真空至7～8×10-5mPa以下，氩等离子体处理3min后，在所述金属片表面沉积形成金属Zr过渡层，其中Zr靶靶电流为60A，偏压-15V，温度350℃，氮气流量0sccm，氩气流量300sccm，沉积时间为10min；
(3)采用多弧离子镀技术沉积CrAlSiN/Zr交替层叠层：
沉积CrAlSiN层的条件为：Cr靶和AlSi靶靶电流为50A，偏压为-35V，温度为350℃，氮气流量550sccm，氩气流量0sccm，沉积时间1min；
沉积形成的Zr层的条件为：Zr靶靶电流60A，偏压为-30V，温度为350℃，氮气流量0sccm，氩气流量300sccm，沉积时间1.5min；
(4)重复步骤(3)44个周期，从而制得“层中层”结构的纳米复合涂层。
本实施例制备的纳米复合涂层为400nm的金属Zr过渡层和厚度为4.4μm的CrAlSiN/Zr交替层叠层，所述CrAlSiN/Zr交替层叠层包括交替沉积的CrAlSiN层和Zr层，CrAlSiN层厚度为50nm，Zr层厚度为50nm，循环44个周期。
性能表征：
1.结构和成分测试：
测试结果：本实施例1制备的样品表面涂层呈银灰色，表面致密光亮，SEM图如图1所示，显示其断面呈现出典型的纳米多层结构特征，TEM图如图2所示，可以看到明显的“层中层”结构；
2.力学性能测试
采用MTS NanoIndenter G200纳米压痕仪系统和CSM划痕仪测试本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层的纳米硬度、弹性模量和涂层的结合强度(如图3所示)；
测试结果：本实施例制备的纳米复合涂层的纳米硬度为8GPa，弹性模量为213GPa，结合强度为23N；
3.抗摩擦腐蚀交互性能测试
在人工海水环境中，采用线性往复式摩擦机(RTEC MFT5000)与一个三电极体系集成在Sliartron分析电化学工作站上进行抗摩擦腐蚀交互性能测试，具体实验条件为：采用直线往复形式，摩擦对偶球为直径为6mm的YG6(WC+6wt％Co)合金球，单次摩擦距离为5mm，摩擦频率为2Hz，载荷为5N；
测试结果：本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层在实验中的摩擦系数为0.12(如图4所示)，低于传统的单层氮化物涂层。
实施例2
本实施例中，基底采用长为3cm，宽度为2cm，厚度为3mm的316不锈钢金属片；
本实施例中具有“层中层”结构的纳米复合涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)基底表面清洗除污：将石油醚擦洗的金属片置于丙酮溶液中超声清洗30min，氮气吹干后置于无水乙醇超声清洗20min，氮气吹干；
(2)采用多弧离子镀技术沉积Zr过渡层：
将步骤(1)处理后的金属片置于真空腔体中，抽真空至7～8×10-5mPa以下，氩等离子体处理3min后，在所述金属片表面沉积形成金属Zr过渡层，其中Zr靶靶电流为70A，偏压-20V，温度400℃，氮气流量0sccm，氩气流量350sccm，沉积时间为10min；
(3)采用多弧离子镀技术沉积CrAlSiN/Zr交替层叠层：
沉积的CrAlSiN层的条件为：Cr靶和AlSi靶靶电流为60A，偏压为-40V，温度为400℃，氮气流量600sccm，氩气流量0sccm，沉积时间2min；
沉积形成的Zr层的条件为：Zr靶靶电流70A，偏压为-20V，温度为400℃，氮气流量0sccm，氩气流量350sccm，沉积时间1.5min；
(4)重复步骤(3)31个周期，从而制得“层中层”结构的纳米复合涂层。
本实施例制备的纳米复合涂层为400nm的金属Zr过渡层和厚度为4.65μm的CrAlSiN/Zr交替层叠层，所述CrAlSiN/Zr交替层叠层包括交替沉积的CrAlSiN层和Zr层，CrAlSiN层厚度为100nm，Zr层厚度为50nm，循环31个周期。
性能表征：
1.结构和成分测试：
测试结果：本实施例1制备的样品表面涂层呈银灰色，表面致密光亮；从SEM和TEM表征可看到制备的纳米复合涂层纳米多层以及“层中层”结构；
2.力学性能测试
采用MTS NanoIndenter G200纳米压痕仪系统和CSM划痕仪测试本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层的纳米硬度、弹性模量和涂层的结合强度；
测试结果：本实施例制备的纳米复合涂层的纳米硬度为15GPa，弹性模量为250GPa，结合强度为17N；
3.抗摩擦腐蚀交互性能测试
在人工海水环境中，采用线性往复式摩擦机(RTEC MFT5000)与一个三电极体系集成在Sliartron分析电化学工作站上进行抗摩擦腐蚀交互性能测试，具体实验条件为：采用直线往复形式，摩擦对偶球为直径为6mm的YG6(WC+6wt％Co)合金球，单次摩擦距离为5mm，摩擦频率为2Hz，载荷为5N；
测试结果：本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层在实验中的摩擦系数为0.11，低于传统的单层氮化物涂层。
实施例3
本实施例中，基底采用长为3cm，宽度为2cm，厚度为3mm的316不锈钢金属片；
本实施例中具有“层中层”结构的纳米复合涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)基底表面清洗除污：将石油醚擦洗的金属片置于丙酮溶液中超声清洗30min，氮气吹干后置于无水乙醇超声清洗20min，氮气吹干；
(2)采用多弧离子镀技术沉积Zr过渡层：
将步骤(1)处理后的金属片置于真空腔体中，预抽真空至7～8×10-5mPa以下，氩等离子体处理3min后，在所述金属片表面沉积形成金属Zr过渡层，其中Zr靶靶电流为70A，偏压-20V，温度400℃，氮气流量0sccm，氩气流量350sccm，沉积时间为10min；
(3)采用多弧离子镀技术沉积CrAlSiN/Zr交替层叠层：
沉积的CrAlSiN层的条件为：Cr靶和AlSi靶靶电流为60A，偏压为-40V，温度为400℃，氮气流量600sccm，氩气流量0sccm，沉积时间4min；
沉积形成的Zr层的条件为：Zr靶靶电流70A，偏压为-20V，温度为400℃，氮气流量0sccm，氩气流量350sccm，沉积时间1.5min；
(4)重复步骤(3)20个周期，从而制得“层中层”结构的纳米复合涂层。
本实施例制备的纳米复合涂层为400nm的金属Zr过渡层和厚度为5.0μm的CrAlSiN/Zr交替层叠层，所述CrAlSiN/Zr交替层叠层包括交替沉积的CrAlSiN层和Zr层，CrAlSiN层厚度为200nm，Zr层厚度为50nm，循环20个周期。
性能表征：
1.结构和成分测试：
测试结果：本实施例1制备的样品表面涂层呈银灰色，表面致密光亮；从SEM和TEM表征可看到制备的纳米复合涂层纳米多层以及“层中层”结构；
2.力学性能测试
采用MTS NanoIndenter G200纳米压痕仪系统和CSM划痕仪测试本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层的纳米硬度、弹性模量和涂层的结合强度；
测试结果：本实施例制备的纳米复合涂层的纳米硬度为22GPa，弹性模量为343GPa，结合强度为15N；
3.抗摩擦腐蚀交互性能测试
在人工海水环境中，采用线性往复式摩擦机(RTEC MFT5000)与一个三电极体系集成在Sliartron分析电化学工作站上进行抗摩擦腐蚀交互性能测试，具体实验条件为：采用直线往复形式，摩擦对偶球为直径为6mm的YG6(WC+6wt％Co)合金球，单次摩擦距离为5mm，摩擦频率为2Hz，载荷为5N；
测试结果：本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层在实验中的摩擦系数为0.11，低于传统的单层氮化物涂层。
实施例4
本实施例中，基底采用长为3cm，宽度为2cm，厚度为3mm的316不锈钢金属片；
本实施例中具有“层中层”结构的纳米复合涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)基底表面清洗除污：将石油醚擦洗的金属片置于丙酮溶液中超声清洗30min，氮气吹干后置于无水乙醇超声清洗20min，氮气吹干；
(2)采用多弧离子镀技术沉积Zr过渡层：
将步骤(1)处理后的金属片置于真空腔体中，预抽真空至7～8×10-5mPa以下，氩等离子体处理3min后，在所述金属片表面沉积形成金属Zr过渡层，其中Zr靶靶电流为70A，偏压-20V，温度400℃，氮气流量0sccm，氩气流量350sccm，沉积时间为10min；
(3)采用多弧离子镀技术沉积CrAlSiN/Zr交替层叠层：
沉积的CrAlSiN层的条件为：Cr靶和AlSi靶靶电流为60A，偏压为-40V，温度为400℃，氮气流量600sccm，氩气流量0sccm，沉积时间6min；
沉积形成的Zr层的条件为：Zr靶靶电流70A，偏压为-20V，温度为400℃，氮气流量0sccm，氩气流量350sccm，沉积时间1.5min；
(4)重复步骤(3)15个周期，从而制得“层中层”结构的纳米复合涂层。
本实施例制备的纳米复合涂层为400nm的金属Zr过渡层和厚度为5.25μm的CrAlSiN/Zr交替层叠层，所述CrAlSiN/Zr交替层叠层包括交替沉积的CrAlSiN层和Zr层，CrAlSiN层厚度为300nm，Zr层厚度为50nm，循环15个周期。
性能表征：
1.结构和成分测试：
测试结果：本实施例1制备的样品表面涂层呈银灰色，表面致密光亮；
2.力学性能测试
采用MTS NanoIndenter G200纳米压痕仪系统和CSM划痕仪测试本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层的纳米硬度、弹性模量和涂层的结合强度；
测试结果：本实施例制备的纳米复合涂层的纳米硬度为23GPa，弹性模量为366GPa，结合强度为20N；
3.抗摩擦腐蚀交互性能测试
在人工海水环境中，采用线性往复式摩擦机(RTEC MFT5000)与一个三电极体系集成在Sliartron分析电化学工作站上进行抗摩擦腐蚀交互性能测试，具体实验条件为：采用直线往复形式，摩擦对偶球为直径为6mm的YG6(WC+6wt％Co)合金球，单次摩擦距离为5mm，摩擦频率为2Hz，载荷为5N；
测试结果：本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层在实验中的摩擦系数为0.22，低于传统的单层氮化物涂层。
实施例5
本实施例中，基底采用长为3cm，宽度为2cm，厚度为3mm的316不锈钢金属片；
本实施例中具有“层中层”结构的纳米复合涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)基底表面清洗除污：将石油醚擦洗的金属片置于丙酮溶液中超声清洗30min，氮气吹干后置于无水乙醇超声清洗20min，氮气吹干；
(2)采用多弧离子镀技术沉积Cr过渡层：
将步骤(1)处理后的金属片置于真空腔体中，预抽真空至7～8×10-5mPa以下，氩等离子体处理3min后，在所述金属片表面沉积形成金属Cr过渡层，其中Cr靶靶电流为80A，偏压-25V，温度450℃，氮气流量0sccm，氩气流量400sccm，沉积时间为10min；
(3)采用多弧离子镀技术沉积CrAlSiN/Zr交替层叠层：
沉积的CrAlSiN层的条件为：Cr靶和AlSi靶靶电流为70A，偏压为-45V，温度为450℃，氮气流量650sccm，氩气流量0sccm，沉积时间8min；
沉积形成的Zr层的条件为：Zr靶靶电流80A，偏压为-25V，温度为450℃，氮气流量0sccm，氩气流量400sccm，沉积时间1.5min；
(4)重复步骤(3)11个周期，从而制得“层中层”结构的纳米复合涂层。
本实施例制备的纳米复合涂层为400nm的金属Zr过渡层和厚度为4.95μm的CrAlSiN/Zr交替层叠层，所述CrAlSiN/Zr交替层叠层包括交替沉积的CrAlSiN层和Zr层，CrAlSiN层厚度为400nm，Zr层厚度为50nm，循环11个周期。
性能表征：
1.结构和成分测试：
测试结果：本实施例1制备的样品表面涂层呈银灰色，表面致密光亮；
2.力学性能测试
采用MTS NanoIndenter G200纳米压痕仪系统和CSM划痕仪测试本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层的纳米硬度、弹性模量和涂层的结合强度；
测试结果：本实施例制备的纳米复合涂层的纳米硬度为19GPa，弹性模量为334GPa，结合强度为8N；
3.抗摩擦腐蚀交互性能测试
在人工海水环境中，采用线性往复式摩擦机(RTEC MFT5000)与一个三电极体系集成在Sliartron分析电化学工作站上进行抗摩擦腐蚀交互性能测试，具体实验条件为：采用直线往复形式，摩擦对偶球为直径为6mm的YG6(WC+6wt％Co)合金球，单次摩擦距离为5mm，摩擦频率为2Hz，载荷为5N；
测试结果：本发明制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层在实验中的摩擦系数为0.10，低于传统的单层氮化物涂层。
对比例1
本对比例中，基底采用长为3cm，宽度为2cm，厚度为3mm的316不锈钢金属片；
本实施例中纳米复合涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)基底表面清洗除污：将石油醚擦洗的金属片置于丙酮溶液中超声清洗30min，氮气吹干后置于无水乙醇超声清洗20min，氮气吹干；
(2)采用多弧离子镀技术沉积Zr过渡层：
将步骤(1)处理后的金属片置于真空腔体中，抽真空至7～8×10-5mPa以下，氩等离子体处理3min后，在所述金属片表面沉积形成金属Zr过渡层，其中Zr靶靶电流为60A，偏压-15V，温度350℃，氮气流量0sccm，氩气流量300sccm，沉积时间为10min；
(3)采用多弧离子镀技术沉积CrAlSiN层：
沉积CrAlSiN层的条件为：Cr靶和AlSi靶靶电流为50A，偏压为-35V，温度为350℃，氮气流量550sccm，氩气流量0sccm，沉积时间1min；
(4)重复步骤(3)44个周期，从而制得纳米复合涂层。
本实施例制备的纳米复合涂层为400nm的金属Zr过渡层和厚度为2.2μm的CrAlSiN层，CrAlSiN层厚度为50nm，循环44个周期。
对比例2
本对比例中，基底采用长为3cm，宽度为2cm，厚度为3mm的316不锈钢金属片；
本实施例中纳米复合涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)基底表面清洗除污：将石油醚擦洗的金属片置于丙酮溶液中超声清洗30min，氮气吹干后置于无水乙醇超声清洗20min，氮气吹干；
(2)采用多弧离子镀技术沉积Zr过渡层：
将步骤(1)处理后的金属片置于真空腔体中，抽真空至7～8×10-5mPa以下，氩等离子体处理3min后，在所述金属片表面沉积形成金属Zr过渡层，其中Zr靶靶电流为60A，偏压-15V，温度350℃，氮气流量0sccm，氩气流量300sccm，沉积时间为10min；
(3)采用多弧离子镀技术沉积CrAlSiN/Zr交替层叠层：
沉积CrAlSiN层的条件为CrAlSi靶靶电流为50A，偏压为-35V，温度为350℃，氮气流量550sccm，氩气流量0sccm，沉积时间1min；
沉积形成的Zr层的条件为：Zr靶靶电流60A，偏压为-30V，温度为350℃，氮气流量0sccm，氩气流量300sccm，沉积时间1.5min；
(4)重复步骤(3)44个周期，从而制得纳米复合涂层。
本实施例制备的纳米复合涂层为400nm的金属Zr过渡层和厚度为4.4μm的CrAlSiN层CrAlSiN层厚度为50nm，Zr层厚度为50nm，循环44个周期。
通过表征，对比例1(缺少Zr层)、对比例2(缺少层中层结构)制备的涂层与实施例1制备的具有“层中层”结构的纳米复合涂层相比，抗摩擦腐蚀和力学性能均较差。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米复合涂层，其特征在于包括在基底表面依次形成的金属过渡层和CrAlSiN/Zr交替层叠层，其中所述CrAlSiN/Zr交替层叠层由CrAlSiN层和Zr层交替层叠形成，所述CrAlSiN层包括由AlSiN层和CrN层交替层叠形成的纳米多层涂层，所述金属过渡层包括Zr过渡层和/或Cr过渡层。
2.根据权利要求1所述的纳米复合涂层，其特征在于：所述金属过渡层的厚度为400～500nm；
和/或，所述CrAlSiN/Zr交替层叠层包含11～44个交替层叠周期层，其中每一交替层叠周期层包含一CrAlSiN层和一Zr层；优选的，每一所述交替层叠周期层的厚度为100～450nm；更为优选的，每一所述交替层叠周期层中CrAlSiN层的厚度为50～400nm，Zr层的厚度为40～60nm。
3.根据权利要求1所述的纳米复合涂层，其特征在于：所述CrAlSiN层包含3～5个交替层叠周期层，厚度为50～110nm，其中每一交替层叠周期层包含一AlSiN层和一CrN层；优选的，每一所述交替层叠周期层中AlSiN层的厚度为8～11nm，CrN层的厚度为8～11nm。
4.根据权利要求1所述的纳米复合涂层，其特征在于：所述纳米复合涂层的硬度为8～23GPa，弹性模量为213～366GPa，结合强度为10～20N，摩擦系数为0.10～0.22。
5.权利要求1-4中任一项所述的纳米复合涂层的制备方法，其特征在于包括：
提供基底；
以及，采用多弧离子镀沉积技术在所述基底表面依次沉积金属过渡层和CrAlSiN/Zr交替层叠层，直至形成所述纳米复合涂层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：
将基底置于镀膜装置的真空腔体中，以惰性气体为工作气氛，以Zr靶和/或Cr靶作为靶材，采用多弧离子镀沉积技术在所述基底表面沉积形成金属过渡层，其中，所述Zr靶和/或Cr靶的靶电流为60～80A，偏压为-25～-15V，沉积温度为350～450℃，惰性气体的流量为300～400sccm；
优选的，将基底置于镀膜装置的真空腔体中，并将所述真空腔体抽真空至7～8×10- 5mPa，之后对所述基底进行氩等离子刻蚀处理。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：
在所述金属过渡层沉积完成后，以氮气为工作气氛，以Cr靶和AlSi靶作为靶材，采用多弧离子镀沉积技术，在所述金属过渡层表面形成CrAlSiN层，其中所述Cr靶和AlSi靶的靶电流为50～70A，偏压为-45～-35V，沉积温度为350～450℃，氮气的流量为550～650sccm；
以惰性气体为工作气氛，以Zr靶作为靶材，采用多弧离子镀沉积技术在所述CrAlSiN层表面沉积形成Zr层，其中，所述Zr靶的靶电流为60～80A，偏压为-30～-20V，沉积温度为350～450℃，惰性气体的流量为300～400sccm；
以及，使所述CrAlSiN层和Zr层交替层叠，直至形成所述CrAlSiN/Zr交替层叠层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：沉积所述CrAlSiN层时，在腔体内设置Cr靶和AlSi靶两组靶材，两组靶材平行放置，通过间歇性靠近Cr靶和AlSi靶共沉积，获得由AlSiN层和CrN层交替层叠形成的CrAlSiN层，其中所述基底与Cr靶和AlSi靶的距离为10～15cm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于还包括：在沉积所述金属过渡层之前，先对基底进行清洗处理；
和/或，所述基底包括不锈钢基底；优选为316不锈钢和/或304不锈钢。
10.权利要求1-4中任一项所述的纳米复合涂层于金属部件表面防护领域中的用途；优选为海洋环境中机械部件表面耐摩擦或耐腐蚀领域中的用途。
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