CN113652636B - TiAlSiBNiN纳米复合涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层及其制备方法和应用，所述TiAlSiBNiN纳米复合涂层包括：设置于基底之上的TiAlN层；以及设置于所述TiAlN层之上的TiAlSiBNiN纳米复合功能层；以原子百分比含量计，所述TiAlN层包含如下元素：25％～35％Al、15％～25％Ti和45％～55％N；以原子百分比含量计，所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层包含如下元素：20％～30％Al、10％～20％Ti、2％～15％Si、1％～10％B、1％～10％Ni和45％～55％N。所述TiAlSiBNiN纳米复合涂层在保持较高硬度和好的抗高温氧化性能的前提下，还具有优异的断裂韧性及高温润滑性能。

Description

TiAlSiBNiN纳米复合涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及表面防护技术领域，特别是涉及一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层及其制备方法和应用。
背景技术
随着刀具切削加工技术的发展，对刀具材料和性能提出了更高的要求，干式、高速、高精度切削已成为刀具切削发展的重要方向。在刀具表面沉积硬质涂层成为改善和提高刀具切削性能的重要途径。
TiAlN是传统方法使用的三元氮化物硬质涂层，由于具有高硬度、高耐磨性及抗高温氧化性能等，在切削刀具等领域获得了成功的应用，大大提高了刀具切削性能及使用寿命。但是TiAlN的使用温度一般在750℃～850℃左右，而刀具在干式高速切削会带来刀具表面温度达到900℃甚至1000℃以上，限制了该涂层刀具的使用。
为了进一步提高涂层的抗高温氧化性能,传统方法将Si等元素添加到TiN或TiAlN结构中，形成了纳米晶/非晶复合结构，即nc-TiN/a-Si3N4或nc-TiAlN/a-Si3N4。整个涂层中以TiN或TiAlN纳米晶为主体，非晶Si3N4作为界面相包裹在TiN或TiAlN纳米晶周围，合适尺寸的Si3N4相能够阻碍位错的滑动及晶粒的相对滑移，并有效阻挡氧元素向涂层内部扩散，从而使涂层的硬度、抗高温氧化性显著提高。但是，这一类纳米晶/非晶复合结构的涂层的断裂韧性较差，而且涂层刀具在使用过程中容易崩膜，涂层厚度无法加厚，涂层在高温下容易与被加工材料发生反应而发生粘连，使得刀具寿命明显降低。
因此，对于具有高硬度的TiSiN或TiAlSiN涂层来说，如何在保持较高硬度和好的抗高温氧化性能的前提下，提高其断裂韧性及高温润滑性能对于实际应用具有重要意义，也是目前亟待解决的主要问题。
发明内容
基于此，本发明提供一种在保持较高硬度和好的抗高温氧化性能的前提下，还具有优异的断裂韧性及高温润滑性能的TiAlSiBNiN纳米复合涂层及其制备方法和应用。
本发明的第一方面，提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，包括：
设置于基底之上的TiAlN层；以及
设置于所述TiAlN层之上的TiAlSiBNiN纳米复合功能层；
以原子百分比含量计，所述TiAlN层包含如下元素：25％～35％Al、15％～25％Ti和45％～55％N；
以原子百分比含量计，所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层包含如下元素：20％～30％Al、10％～20％Ti、2％～15％Si、1％～10％B、1％～10％Ni和45％～55％N。
在其中一个实施例中，以原子百分比含量计，所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层包含如下元素：20％～30％Al、10％～20％Ti、5％～10％Si、1％～8％B、2％～9％Ni和45％～55％N。
在其中一个实施例中，所述TiAlN层的厚度为0.2μm～1μm、所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层的厚度为1.5μm～10μm。
本发明的第二方面，提供所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
在含氮气的气氛下，以TiAl合金靶进行电弧离子镀膜，于所述基底上沉积所述TiAlN层；
在含氮气的气氛下，以TiAlSiBNi合金靶进行电弧离子镀或高功率脉冲磁控溅射镀膜，于所述TiAlN层上沉积所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层。
在其中一个实施例中，沉积所述TiAlN层的步骤包括：将所述基底的偏压调整为-20V～-250V；通入所述氮气，气压控制在1Pa～5Pa；开启所述TiAl合金靶的电弧靶电源进行电弧离子镀膜。
在其中一个实施例中，沉积所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层的步骤包括：通入所述氮气，气压控制在1Pa～5Pa；开启所述TiAlSiBNi合金靶的电弧靶电源进行电弧离子镀膜，靶材电流为100A～200A，所述基底的偏压为-20V～-200V。
在其中一个实施例中，沉积所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层的步骤包括：通入所述氮气，气压控制在1Pa～5Pa；开启所述TiAlSiBNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射靶电源进行高功率脉冲磁控溅射镀膜，高功率脉冲磁控溅射靶电源的功率为1kW～10kW，峰值电压为350V～850V，高功率频率为55kHz～65kHz，所述基底的偏压为-20V～-200V。
在其中一个实施例中，沉积所述TiAlN层之前，还包括对所述基底进行离子轰击清洗的步骤；离子轰击清洗的条件包括：通入氩气，调整气压为0.1Pa～1.5Pa，所述基底的偏压为-100V～-600V，利用电弧增强辉光放电电源或者离子源电源，对基体表面进行氩离子刻蚀。
在其中一个实施例中，离子轰击清洗的时间为30min～60min。
本发明的第三方面，提供所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层在器具表面防护中的应用。
本发明通过研究发现，传统的TiAlSiN涂层之所以韧性较差的主要原因在于：相结构由硬相/硬相组合成，涂层在制备过程中产生的应力无法得到释放。基于此，上述TiAlSiBNiN纳米复合涂层，在基底上设置TiAlN层作为过渡层，以促进功能涂层与基体间的结合，并在TiAlN层的基础上进一步设置TiAlSiBNiN纳米复合功能层，其中，TiAlSiBNiN纳米复合功能层在TiAlSiN涂层的基础上引入了B元素和Ni元素，相结构主要由立方结构的TiAlN相、a-Si3N4非晶相、a-BN非晶相与金属Ni相(纳米晶或非晶相)组成，其中a-Si3N4非晶相、a-BN非晶相与金属Ni相作为界面相包裹在纳米晶相TiAlN的周围，形成纳米复合结构。a-Si3N4非晶相能够阻碍位错的滑动及晶粒的相对滑移，并有效阻挡氧元素向涂层内部扩散，从而使涂层的硬度、抗高温氧化性显著提高，同时，在不影响涂层的硬度、抗高温氧化性的情况下，a-BN非晶相不仅可以阻碍位错的滑动及滑移，使得涂层的硬度、耐磨性提高，而且该相还具有良好的高温润滑作用，因此可以有效提高涂层的高温润滑性能，与之相配合地，作为容易发生塑性变形的金属Ni相则可以起到吸收塑性变形功和断裂功的作用，增强涂层的断裂韧性。综上所述，该TiAlSiBNiN纳米复合涂层具有优异的综合性能，不仅具有优异的硬度和抗氧化性，还具有良好的韧性和高温润滑性，为器具提供功能全面的表面防护。
另外，在研究过程中还发现，上述TiAlSiBNiN纳米复合涂层还有较佳的高温红硬性、高温稳定性和高温耐磨性。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的TiAlSiBNiN纳米复合涂层及其制备方法和应用作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明中，“第一方面”、“第二方面”、“第三方面”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。而且“第一”、“第二”、“第三”等仅起到非穷举式的列举描述目的，应当理解并不构成对数量的封闭式限定。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，上述数值区间内视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
本发明中涉及的百分比含量，如无特别说明，对于固液混合和固相-固相混合均指质量百分比，对于液相-液相混合指体积百分比。
本发明中涉及的百分比浓度，如无特别说明，均指终浓度。所述终浓度，指添加成分在添加该成分后的体系中的占比。
本发明中的温度参数，如无特别限定，既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。
本发明的提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，包括：
设置于基底之上的TiAlN层；以及
设置于TiAlN层之上的TiAlSiBNiN纳米复合功能层；
以原子百分比含量计，TiAlN层包含如下元素：25％～35％Al、15％～25％Ti和45％～55％N；
以原子百分比含量计，TiAlSiBNiN纳米复合功能层包含如下元素：20％～30％Al、10％～20％Ti、2％～15％Si、1％～10％B、1％～10％Ni和45％～55％N。
上述TiAlSiBNiN纳米复合涂层在基底表面依次是TiAlN层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层，其中，TiAlSiBNiN纳米复合功能层是一种由TiAlN纳米晶界面镶嵌非晶相a-Si3N4、非晶相a-BN和金属Ni(纳米晶或非晶相)的复合结构。
在其中一些具体的示例中，以原子百分比含量计，TiAlSiBNiN纳米复合功能层包含如下元素：20％～30％Al、10％～20％Ti、5％～10％Si、1％～8％B、1％～9％Ni和45％～55％N。
在其中一些具体的示例中，以原子百分比含量计，TiAlSiBNiN纳米复合功能层中，B为1％～8％。具体地，B的原子百分比包括但不限于：1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％。
在其中一些具体的示例中，以原子百分比含量计，TiAlSiBNiN纳米复合功能层中，Ni为1％～9％。具体地，Ni的原子百分比包括但不限于：1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％。
在其中一些具体的示例中，以原子百分比含量计，TiAlSiBNiN纳米复合功能层中，B为5％～7％、Ni为3％～5％。或，以原子百分比含量计，TiAlSiBNiN纳米复合功能层中，B为1％～2％、Ni为8％～9％。或，以原子百分比含量计，TiAlSiBNiN纳米复合功能层中，B为7％～9％、Ni为1％～3％。
在其中一些具体的示例中，TiAlN层的厚度为0.2μm～1μm，TiAlSiBNiN纳米复合功能层的厚度为1.5μm～10μm。
本发明还提供上述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
在含氮气的气氛下，以TiAl合金靶进行电弧离子镀(AIP)膜，于基底上沉积TiAlN层；
在含氮气的气氛下，以TiAlSiBNi合金靶进行电弧离子镀(AIP)或高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)镀膜，于TiAlN层上沉积TiAlSiBNiN纳米复合功能层。
可以理解地，上述制备方法中，可以采用单一电弧离子镀(AIP)设备或高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)进行制备，也可以采用电弧离子镀(AIP)设备和高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)复合设备进行制备。充分利用各自技术的优势，更容易制备出综合性能优异的硬质涂层，扩大了涂层的应用范围。
在其中一些具体的示例中，沉积TiAlN层的步骤包括：将基底的偏压调整为-20V～-250V；通入氮气，气压控制在1Pa～5Pa；开启TiAl合金靶的电弧靶电源进行电弧离子镀膜。
在其中一些具体的示例中，开启TiAl合金靶的电弧靶电源进行电弧离子镀膜过程中，靶材电流为100A～200A，基底的偏压为-20V～-200V。进一步地，基底的偏压为-50V～-200V。
在其中一些具体的示例中，TiAlN层的沉积时间为10min～40min。
在其中一些具体的示例中，沉积TiAlSiBNiN纳米复合功能层的步骤包括：通入氮气，气压控制在1Pa～5Pa；开启TiAlSiBNi合金靶的电弧靶电源进行电弧离子镀膜，靶材电流为100A～200A，基底的偏压为-20V～-200V。进一步地，基底的偏压为-50V～-200V。
在其中一些具体的示例中，在上述采用单一电弧离子镀的情况下，TiAlSiBNiN纳米复合功能层的沉积时间为1～5h。
在其中一些具体的示例中，沉积TiAlSiBNiN纳米复合功能层的步骤包括：通入所述氮气，气压控制在1Pa～5Pa；开启TiAlSiBNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射靶电源进行高功率脉冲磁控溅射镀膜，高功率脉冲磁控溅射靶电源的功率为1kW～10kW，峰值电压为350V～850V，高功率频率为55kHz～65kHz，基底的偏压为-20V～-200V。进一步地，基底的偏压为-50V～-150V。
在其中一些具体的示例中，高功率脉冲磁控溅射靶电源的功率为1kW～10kW。具体地，高功率脉冲磁控溅射靶电源的功率包括但不限于：1kW、2kW、3kW、4kW、5kW、6kW、6.5kW、7kW、7.5kW、8kW、9kW、10kW。进一步地，高功率脉冲磁控溅射靶电源的功率为6kW～8kW。
在其中一些具体的示例中，峰值电压为350V～850V。具体地，峰值电压包括但不限于：350V、400V、450V、500V、550V、600V、750V、800V、850V。进一步地，峰值电压为750V～850V。
在其中一些具体的示例中，在上述采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术的情况下，TiAlSiBNiN纳米复合功能层的沉积时间为2～10h。
在其中一些具体的示例中，沉积TiAlN层之前，还包括对基底进行离子轰击清洗的步骤；离子轰击清洗的条件包括：通入氩气，调整气压为0.1Pa～1.5Pa，基底的偏压为-100V～-600V，利用电弧增强辉光放电电源或者离子源电源，对基体表面进行氩离子刻蚀。在其中一些具体的示例中，离子轰击清洗的温度条件为350℃～550℃。
在其中一些具体的示例中，离子轰击清洗的时间为30min～60min。
在其中一些具体的示例中，离子轰击清洗还包括预备步骤：离子轰击清洗在镀膜设备真空室进行，对镀膜设备真空室抽真空，使背底真空度达到1.0×10-2Pa～1.0×10- 3Pa；并升温至350℃～550℃。
在其中一些具体的示例中，离子轰击清洗之前，还包括预处理步骤：将基底进行抛光，然后依次用丙酮、酒精超声清洗5～20分钟，干燥。其中，干燥的方式不作特别限制，可采用如热风吹干等方式。
本发明还提供上述TiAlSiBNiN纳米复合涂层在器具表面防护中的应用。具体地，器具可举例如，切削刀具、模具、机械零部件等。
在其中一些具体的示例中，器具是指干式、高速切削加工的刀具或在复杂工况下使用的零部件。
以下为具体实施例。
实施例1
本实施例提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：16％，Al：33％，N：51％；TiAlSiBNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为11％，Al为21％，Si为7％，B为6％，Ni为4％，N为51％。
将经过抛光处理的YW2硬质合金基体放入超声清洗机，然后依次用丙酮、酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；对镀膜设备真空室抽真空，使背底真空度达到5.0×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至540℃；然后通入氩气，气压调整为0.6Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-250V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀35min；将基体偏压调至-160V，通入氮气，气压控制在3.2Pa，开启TiAl合金靶(Ti:Al＝33:67at.％)弧源，TiAl合金靶弧流为160A，沉积TiAlN层20min，得到TiAlN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.5Pa，打开TiAlSiBNi合金靶的HiPIMS靶电源，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，高功率TiSiNi合金靶功率为7kW，峰值电压为800V，高功率频率为60kHz，基体偏压为-150V，沉积时间为5.5小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得TiAlN层的厚度为0.5μm，TiAlSiBNiN功能层的厚度为4.4μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为41GPa，韧性为1.215MPa·m1/2，1000℃时的硬度为40.2GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.42，抗高温氧化温度为1180℃。
实施例2
本实施例提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：20％，Al：29％，N：51％；TiAlSiBNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为15％，Al为20％，Si为6％，B为3％，Ni为5％，N为51％。
将经过抛光处理的YG8硬质合金基体放入超声清洗机，然后依次用丙酮、酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；对镀膜设备真空室抽真空，使背底真空度达到5.5×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至540℃；然后通入氩气，气压调整为0.3Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-220V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀45min；将基体偏压调至-190V，通入氮气，气压控制在3.6Pa，开启TiAl合金靶(Ti:Al＝33:67at.％)弧源，TiAl合金靶弧流为160A，沉积TiAlN层25min，得到TiAlN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.5Pa，打开TiAlSiBNi合金靶的电弧靶电源，TiAlSiBNi合金靶弧流为180A，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，沉积时间为2.5小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得TiAlN层的厚度为0.55μm，TiAlSiBNiN功能层的厚度为5.1μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为38GPa，韧性为1.202MPa·m1/2，1000℃时的硬度为37.6GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.51，抗高温氧化温度为1100℃。
实施例3
本实施例提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：15％，Al：35％，N：50％；TiAlSiBNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为11％，Al为21％，Si为8％，B为4％，Ni为6％，N为48％。
将经过抛光处理的基体放入超声清洗机，然后依次用丙酮、酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；对镀膜设备真空室抽真空，使背底真空度达到4.5×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至520℃；然后通入氩气，气压调整为0.6Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-200V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀55min；将基体偏压调至-130V，通入氮气，气压控制在2.6Pa，开启TiAl合金靶(Ti:Al＝33:67at.％)弧源，TiAl合金靶弧流为130A，沉积TiAlN层20min，得到TiAlN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.5Pa，打开TiAlSiBNi合金靶的电弧靶电源，TiAlSiBNi合金靶弧流为150A，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，沉积时间为3小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得TiAlN层的厚度为0.37μm，TiAlSiBNiN功能层的厚度为6.1μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为39GPa，韧性为1.326MPa·m1/2，1000℃时的硬度为38.6GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.47，抗高温氧化温度为1120℃。
实施例4
本实施例提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：18％，Al：32％，N：50％；TiAlSiBNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为13％，Al为21％，Si为5％，B为7％，Ni为4％，N为50％。
将经过抛光处理的YT15硬质合金基体放入超声清洗机，然后依次用丙酮、酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；对镀膜设备真空室抽真空，使背底真空度达到5.5×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至500℃；然后通入氩气，气压调整为0.4Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-220V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀40min；将基体偏压调至-120V，通入氮气，气压控制在3.1Pa，开启TiAl合金靶(Ti:Al＝33:67at.％)弧源，TiAl合金靶弧流为180A，沉积TiAlN层20min，得到TiAlN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.9Pa，打开TiAlSiBNi合金靶的HiPIMS靶电源，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，高功率TiAlSiBNi合金靶功率为7kW，峰值电压为800V，高功率频率为60kHz，基体偏压为-150V，沉积时间为4.5小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得TiAlN层的厚度为0.45μm，TiAlSiBNiN功能层的厚度为3.9μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为42GPa，韧性为1.135MPa·m1/2，1000℃时的硬度为41.1GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.41，抗高温氧化温度为1150℃。
实施例5
本实施例提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：16％，Al：33％，N：51％；TiAlSiBNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为11％，Al为21％，Si为7％，B为1％，Ni为9％，N为51％。本实施例是在实施例1的基础上，仅改变TiAlSiBNiN层中B和Ni元素的原子百分含量进行对比。
所得TiAlN层的厚度为0.5μm，TiAlSiBNiN功能层的厚度为4.4μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为38GPa，韧性为1.373MPa·m1/2，1000℃时的硬度为37.3GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.4，抗高温氧化温度为1130℃。
与实施例1相比，本实施例仅改变TiAlSiBNiN层中B和Ni元素的原子百分含量，将B含量降低，而将Ni含量增加，得到的结果表明，涂层韧性得到了提高，涂层常温与高温下的硬度略有降低，高温摩擦因数有所降低，而抗高温氧化温度则有所降低。
实施例6
本实施例提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：16％，Al：33％，N：51％；TiAlSiBNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为11％，Al为21％，Si为7％，B为8％，Ni为2％，N为51％。本实施例是在实施例1的基础上，仅改变TiAlSiBNiN层中B和Ni元素的原子百分含量进行对比。
所得TiAlN层的厚度为0.5μm，TiAlSiBNiN功能层的厚度为4.4μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为43GPa，韧性为1.028MPa·m1/2，1000℃时的硬度为43.6GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.51，抗高温氧化温度为1170℃。
与实施例1相比，本实施例仅仅改变了仅仅改变TiAlSiBNiN层中B和Ni元素的原子百分含量，将B含量增加，而将Ni含量降低，得到的结果表明，涂层韧性有所降低，涂层常温与高温下的硬度略有增加，高温摩擦因数有所增加，而抗高温氧化温度则变化不大。
实施例7
本实施例提供一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：18％，Al：32％，N：50％；TiAlSiBNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为13％，Al为21％，Si为5％，B为7％，Ni为4％，N为50％。
与对比实施例4相比，本实施例仅改变高功率脉冲磁控电源的功率和峰值电压进行对比。
将经过抛光处理的YT15硬质合金基体放入超声清洗机，然后依次用丙酮、酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；对镀膜设备真空室抽真空，使背底真空度达到5.5×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至500℃；然后通入氩气，气压调整为0.4Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-220V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀40min；将基体偏压调至-120V，通入氮气，气压控制在3.1Pa，开启TiAl合金靶(Ti:Al＝33:67at.％)弧源，TiAl合金靶弧流为180A，沉积TiAlN层20min，得到TiAlN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.9Pa，打开TiAlSiBNi合金靶的HiPIMS靶电源，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，高功率TiSiNi合金靶功率为5kW，峰值电压为400V，高功率频率为60kHz，基体偏压为-150V，沉积时间为4.5小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得TiAlN层的厚度为0.45μm，TiAlSiBNiN功能层的厚度为3.2μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为38GPa，韧性为1.123MPa·m1/2，1000℃时的硬度为37.6GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.41，抗高温氧化温度为1130℃。
与对比实施例4相比，本实施例仅仅改变了高功率脉冲磁控电源的功率和峰值电压，所得的结果与实施例4相比，涂层常温和高温硬度均有所下降，韧性略有下降，抗高温氧化温度也有所降低，说明改变关键工艺参数也会影响涂层性能。
对比例1
本对比例与实施例4相比，仅在功能层中去掉了B元素。
本对比例提供一种TiAlSiNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：18％，Al：32％，N：50％；TiAlSiNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为11％，Al为21％，Si为14％，Ni为4％，N为50％。
所得TiAlN层的厚度为0.45μm，TiAlSiNiN功能层的厚度为3.9μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为40GPa，韧性为1.109MPa·m1/2，1000℃时的硬度为39.7GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.52，抗高温氧化温度为1120℃。
本实施例与实施例4相比，去掉了TiAlSiBNiN功能层中的B元素，所得测试结果与实施例4相比，涂层硬度和高温硬度有所降低，高温摩擦因数明显升高，涂层韧性略有降低，抗高温氧化温度有所降低。
对比例2
本对比例与实施例4相比，仅在功能层中去掉了Si元素。
本对比例提供一种TiAlBNiN纳米复合涂层，由TiAlN层形成的过渡层以及TiAlSiBNiN纳米复合功能层组成。其中TiAlN层中各元素的原子百分比含量为：Ti：18％，Al：32％，N：50％；TiAlBNiN层中各元素的原子百分比含量为：Ti为13％，Al为23％，B为10％，Ni为4％，N为50％。
所得TiAlN层的厚度为0.45μm，TiAlBNiN功能层的厚度为3.9μm。TiAlSiBNiN纳米复合涂层的硬度为38GPa，韧性为1.195MPa·m1/2，1000℃时的硬度为37.7GPa，800℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.39，抗高温氧化温度为1110℃。
本对比例与实施例4相比，去掉了TiAlSiBNiN功能层中的Si元素，所得测试结果与实施例4相比，涂层硬度和高温硬度有所降低，高温摩擦因数略有降低，涂层韧性略有增加，抗高温氧化温度略有降低。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在含氮气的气氛下，以TiAl合金靶进行电弧离子镀膜，于基底上沉积TiAlN层；以原子百分比含量计，所述TiAlN层包含如下元素：25%~35%Al、15%~25%Ti和45%~55%N；
在含氮气的气氛下，以TiAlSiBNi合金靶进行电弧离子镀或高功率脉冲磁控溅射镀膜，于所述TiAlN层上沉积TiAlSiBNiN纳米复合功能层；以原子百分比含量计，所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层包含如下元素：20%~30%Al、10%~20%Ti、2%~15%Si、3%~8%B、2%~9%Ni和45%~55%N；
其中，沉积所述TiAlN层的步骤包括：将所述基底的偏压调整为-20V~-250V；通入所述氮气，气压控制在1Pa~5Pa；开启所述TiAl合金靶的电弧靶电源进行电弧离子镀膜；
沉积所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层的步骤包括：
（1）通入所述氮气，气压控制在3.5Pa；开启所述TiAlSiBNi合金靶的电弧靶电源进行电弧离子镀膜，靶材电流为100A~200A，所述基底的偏压为-20V~-200V；或，
（2）沉积所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层的步骤包括：通入所述氮气，气压控制在1Pa~5Pa；开启所述TiAlSiBNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射靶电源进行高功率脉冲磁控溅射镀膜，高功率脉冲磁控溅射靶电源的功率为6kW~10kW，峰值电压为450V~800V，高功率频率为55kHz~65kHz，所述基底的偏压为-20V~-200V。
2.根据权利要求1所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，沉积所述TiAlN层的步骤包括：开启TiAl合金靶的电弧靶电源进行电弧离子镀膜过程中，靶材电流为100A~200A，基底的偏压为-20V~-200V。
3.根据权利要求1所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，沉积所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层的步骤（1）中，基底的偏压为-50V~-200V。
4.根据权利要求1所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，沉积所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层的步骤（2）中，基底的偏压为-50V~-150V。
5.根据权利要求1~4任一项所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，沉积所述TiAlN层之前，还包括对所述基底进行离子轰击清洗的步骤；离子轰击清洗的条件包括：通入氩气，调整气压为0.1Pa~1.5Pa，所述基底的偏压为-100V~-600V，利用电弧增强辉光放电电源或者离子源电源，对基体表面进行氩离子刻蚀。
6.根据权利要求5所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，离子轰击清洗的时间为30min~60min。
7.根据权利要求1~4任一项所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，以原子百分比含量计，所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层包含如下元素：20%~30%Al、10%~20%Ti、5%~10%Si、3%~8%B、2%~9%Ni和45%~55%N。
8.根据权利要求1~4任一项所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，所述TiAlN层的厚度为0.2μm~1μm、所述TiAlSiBNiN纳米复合功能层的厚度为1.5μm~10μm。
9.权利要求1~8任一项所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层的制备方法制备得到的TiAlSiBNiN纳米复合涂层。
10.权利要求9所述的TiAlSiBNiN纳米复合涂层在器具表面防护中的应用。
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