CN114150282A - 一种纳米刀具涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米刀具涂层及其制备方法，涉及涂层技术领域。本发明所述的纳米刀具涂层包括刀具基体以及依次在所述刀具基体表面沉积的过渡层、支撑层、界面层和功能顶层；所述过渡层为Ti过渡层；所述支撑层为TiAlTaN梯度涂层；所述界面层为WS2/TaO纳米多层涂层；所述功能顶层为TiAlN/WS2/TaO复合涂层，并在各层界面间通过飞秒激光技术引入纳米尺度的波纹结构调控层间结合强度，使刀具涂层整体呈现“硬‑韧‑硬”三层复合结构，实现力学性能与长效自润滑、减亲和功能多指标协同优化。

Description

一种纳米刀具涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂层技术领域，尤其涉及一种纳米刀具涂层及其制备方法。
背景技术
由碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和钛合金材料组成的叠层结构具有很高的比强度和比模量，该结构常通过螺栓连接方式制成航空航天飞行器关键承重构件。为提高叠层结构装配孔的位置精度和装配质量，叠层构件须一次装夹、一体加工，这使得CFRP/钛合金叠层构件高效率、低损伤的一体化制孔技术成为了航空制造领域研究的热点。
由于具有硬度高、抗高温氧化等性能，物理气相沉积(PVD)TiAlN基涂层刀具是目前切削钛合金、CFRP常用刀具。然而，CFRP/钛合金叠层构件将两种材料性能融于一体，加工时涂层刀具经历性能差异大的多组分切削过程(钛合金的低导热率和高化学活性促进刀具的粘结；CFRP的高强度碳纤维加重刀具涂层磨损、剥落)，再加上无法使用切削液(CFRP极易吸收液体膨胀)，缺少润滑、冷却作用，导致涂层磨损加剧，严重影响加工效率和质量。因此，加工叠层构件时，涂层须同时具有高结合强度、高热稳定性、高硬度、高韧性等力学性能，还要兼具自润滑、减亲和功能性。
目前，研究者主要通过多元化和多层化方法进行涂层结构设计，提高刀具涂层的综合性能。多元化是指在现有涂层中添加其他组元提高涂层性能的方法。在TiAlN涂层中添加高熔点的Ta元素，通过分别诱发TaN相和抑制A1N相的生成提高涂层的硬度(39.5±1.0GPa)及热稳定性(1100℃)。在TiN涂层中添加Si，通过形成非晶(Si3N4)包裹纳米晶(TiN)的复合结构，晶粒尺寸得到明显细化，使涂层硬度提高到36GPa，热稳定温度提高到1100℃。但是，多元化方法在提高硬度和热稳定性的同时，涂层内部不具有发生裂纹偏转的路径，因此会导致韧性和结合力降低。纳米多层化是通过多层生长的方式设计多层结构，利用界面效应、层间耦合效应、尺寸效应等的影响，使涂层的力学性能得到显著提高。在TiAlN/TiAIZrN多层涂层中，通过控制调制周期比，涂层的硬度最高可达49.2GPa，但是膜基结合力降低约21.3％。在AlCrN/TiSiN多层涂层中，通过控制偏压，涂层硬度提高3％(33GPa)，韧性却降低10％。研究者也通过多元化和多层化的结构设计方法实现涂层润滑性和减亲和性的功能复合。功能复合是指将力学层与功能层或功能相复合提高涂层综合性能的方法。涂层润滑性的研究主要采用碳类、硫化物等低摩擦系数的材料作为功能层与力学层复合，从而提高涂层的润滑性能。比如，将TiAlTaN涂层表面复合非晶碳层，使涂层的摩擦系数从0.66降低到0.25。然而，碳类涂层的热稳定性差，在400℃时石墨化转变严重；另外，功能层都是涂覆在力学涂层表面，磨损速度快，无法实现长效自润滑与减亲和效果。利用多元化的方法，将WS2润滑相均匀嵌入到TiAlTaN力学涂层中，在保证涂层硬度的前提下(25GPa)，摩擦系数由1.02下降到0.37，初步实现了长效自润滑效果。但是这种多元化的功能复合涂层存在内应力大，膜基结合力低的问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中涂层结合力、硬度、韧性、热稳定性等性能的提升存在竞争与配合的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米刀具涂层及其制备方法。将涂层成分梯度多元化、纳米多层化生长方式相结合调控涂层微结构，通过“成分梯度+多层生长+功能复合”混合式结构设计调控涂层微结构，并在层界面引入纳米波纹几何结构增强涂层结合强度，以实现刀具涂层结合力、硬度、韧性等力学性能与长效自润滑和减亲和功能多指标协同优化。
深海鳞角腹足蜗牛(Chrysomallon squamiferum)外壳，通过微/纳米尺度的有序组装整体显示出高度有序性，可满足复杂极端高压环境下的各种性能要求，如强韧耐磨、抗剥落、抗动力冲击等。C.squamiferum外壳微观结构表现出由有机-无机纳米复合材料层组成的“硬(刚)-韧(柔)-硬(刚)”三层复合结构，每层具有不同功能作用且协同强化，如图1所示。在性能要求的驱动下，C.squamiferum外壳结构的层间存在明显功能梯度，可促进荷载传递和应力重分布，阻止裂纹扩展，增加断裂韧性。另外，每层间分布着纳米波纹状几何结构，该波纹连接可引起界面非均匀应力分布和通过界面分层的能量耗散，提高附着力。
本发明仿照深海鳞角腹足蜗牛(Chrysomallon squamiferum)外壳显微组织结构进行刀具涂层多尺度仿生结构设计，即通过溅射靶材粒子梯度生长、层生长、共生长形成微米尺度的三层功能梯度涂层，并在各层界面间引入纳米尺度的波纹结构调控层间结合强度，使刀具涂层整体呈现“硬-韧-硬”三层复合结构，实现力学性能与长效自润滑、减亲和功能多指标协同优化。
本发明的第一个目的是提供一种纳米刀具涂层，包括刀具基体以及依次在所述刀具基体表面沉积的过渡层、支撑层、界面层和功能顶层；所述过渡层为Ti过渡层；所述支撑层为TiAlTaN梯度涂层；所述界面层为WS2/TaO纳米多层涂层；所述功能顶层为TiAlN/WS2/TaO复合涂层；所述支撑层与所述界面层之间、所述界面层和所述功能顶层之间通过纳米波纹结构连接。
本发明所述的纳米刀具涂层面向Ti/CFRP叠层构件(由钛合金与碳钎维复合材料组成)，钛合金与TaO材料间不易发生粘结，同时WS2材料具有良好的润滑性能，所以界面层和功能顶层分布选择了WS2/TaO和TiAlN/WS2/TaO，支撑层TiAlTaN中含Ta元素，与界面层中TaO材料间具有更好的匹配性。
在本发明的一个实施例中，所述刀具基体为高速钢、硬质合金或陶瓷。
在本发明的一个实施例中，所述支撑层、界面层和功能顶层的厚度均为1-2μm。纳米刀具涂层的总厚度在不超过10μm，如太厚，涂层的结合强度会降低。
在本发明的一个实施例中，所述多层纳米涂层中WS2层厚度为55-65nm；TaO层厚度为70-85nm，总层数为10-30层。
在本发明的一个实施例中，所述纳米波纹结构的深度为5-20nm，宽度为20-150nm，槽间距为150-300nm。
本发明的第二个目的是提供一种所述的纳米刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、通过TiAl合金靶在预处理后的基体表面磁控溅射沉积Ti，得到过渡层；
S2、氮气气氛下，使用TiAl合金靶和Ta靶，通过磁控溅射在S1步骤所述过渡层表面沉积TiAlTaN梯度涂层，采用飞秒激光技术在梯度涂层表面加工出纳米波纹结构，得到支撑层；
S3、氧气气氛下，使用WS2靶和Ta靶，通过磁控溅射在S2步骤所述支撑层表面交替循环沉积WS2/TaO多层纳米涂层，采用飞秒激光技术在多层纳米涂层表面加工出纳米波纹结构，得到界面层；
S4、氮气气氛下，使用TiAl合金靶、WS2靶和TaO靶，通过磁控溅射在S3步骤所述界面层表面以共沉积的方式沉积TiAlN/WS2/TaO复合涂层，得到所述功能顶层。
在本发明的一个实施例中，靶材的纯度为99.99％以上。靶材的用量通过靶功率、溅射时间等参数来控制，最终体现在涂层的厚度上。
在本发明的一个实施例中，TiAl合金靶中Ti、Al原子比为50：45-55。
在本发明的一个实施例中，在S1步骤中，所述预处理是对基体表面进行研磨、抛光和超声波清洗；所述清洗的溶剂为水和/或有机溶剂；所述有机溶剂为乙醇或丙酮。
在本发明的一个实施例中，在S2步骤中，所述沉积过程中TiAl合金靶的溅射功率保持不变，Ta靶溅射功率持续增强；TiAl合金靶的溅射功率为850-950W，Ta靶的变化功率为8-200W。
在本发明的一个实施例中，在S2和S3步骤中，所述飞秒激光技术的激光脉冲能量为0.5-2μJ，激光频率为500-1000Hz，激光扫描速度为100-1000μm/s。
在本发明的一个实施例中，沉积过程中样品台加热温度为350-450℃，真空度为6.0×10-3-8.0×10-3Pa；所述磁控溅射的气体为氩气，总气压为0.4-0.6Pa。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的纳米刀具涂层采用具有高硬度、低残余应力和高结合强度的TiAlTaN梯度层可起到支撑界面层和功能顶层的作用，并可减小径向位移，增强涂层整体的抗弯曲/疲劳性能；具有高韧性、抗裂纹扩展和低涂层内应力的WS2/TaO纳米多层结构可以提供非弹性能量耗散，减缓支撑层和功能顶层的非弹性变形，并使支撑层和功能顶层中微裂纹扩展方向发生偏转消耗部分断裂能并降低裂纹尖端的应力强度因子；具有自润滑/减亲和功能的TiAlN/WS2/TaO复合层主要起到自润滑和减亲和功能，并可起到热保护功能，减少界面层和支撑层受到的热应力。TiAlTaN梯度层中含Ta元素，与界面层中TaO材料间具有更好的匹配性。
(2)本发明所述的纳米刀具涂层在各层间利用飞秒激光制备的纳米波纹结构，可增强涂层间机械嵌接作用，同时可改善缓解各层间化学键性能的差别、增加涂层表面比表面积和表面能，进而改善各层间物理结合和化学键合界面，提高涂层结合强度，减小涂层内应力。
(3)本发明所述的纳米刀具涂层整体呈现“硬-韧-硬”三层复合结构，具有高热稳定性、高硬度、高韧性等力学性能的同时，还兼具自润滑、减亲和功能性，可实现涂层力学/功能性能多指标协同优化。
(4)本发明所述的纳米刀具涂层克服了单一涂层的局限性，可实现CFRP/钛合金叠层构件的高效率、低损伤的一体化加工。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明鳞角腹足蜗牛外壳“三层复合结构”及其设计原理示意图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为本发明纳米涂层结构示意图。
图4为本发明测试例的实验图；其中，(a)为TiAlN涂层试样表面和截面SEM图；(b)为TiAlN/WS2复合涂层试样表面和截面SEM图；(c)为表面具有纳米波纹结构的TiAlN/WS2复合涂层试样SEM图；(d)为不同切削速度下，三种不同涂层刀具刀-屑间摩擦系数。
附图标记说明：1-基体、2-过渡层、3-支撑层、4-界面层、5-功能顶层、6-纳米波纹结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
参照图2所示，一种纳米刀具涂层及其制备方法，具体步骤如下：
刀具基体材料选用WC/Co硬质合金，仿照C.squamiferum显微组织结构进行刀具涂层多尺度仿生结构设计，即通过溅射靶材粒子梯度生长、层生长、共生长形成微米尺度的三层功能梯度涂层，并在各层界面间引入纳米尺度的波纹结构调控层间结合强度，使刀具涂层整体呈现“硬-韧-硬”三层复合结构。其具体制备工艺步骤如下：
(1)基体研磨抛光、超声波清洗：将刀具基体表面在自动金相磨样机上制备金相试样，随后用无水乙醇进行1000#砂纸磨制，然后采用天然纤维抛光布配W2.5的金刚石抛光剂进行镜面抛光，最后分别在水和乙醇中超声清洗30min，进行表面清洁处理；
(2)TiAlTaN梯度涂层(支撑层)的制备：使用原子比50：50的TiAl合金靶和纯Ta靶制备涂层，样品温度设定为400℃，施加-120V的脉冲负偏压，占空比为60％。待温度达到400℃，真空室内气压达到7.0×10-3Pa，通入高纯Ar气，对TiAl合金靶和Ta靶预溅射清洗5min，然后调节Ar气的压强到0.5Pa，沉积5min的Ti过渡层。然后通入高纯N2，调节PN2/(PAr+PN2)＝30％，保持总气压为0.5Pa沉积TiAlTaN涂层，TiAl合金靶的溅射功率900W保持不变，控制Ta靶功率以8W/min功率增加到200W，制备出Ta含量呈梯度分布的TiAlTaN梯度涂层；
(3)TiAlTaN支撑层表面纳米波纹结构的制备：将试样放置在高精度三维移动平台上，利用数值孔径为0.8的物镜(放大倍数为80倍)将800nm波长的线性偏振飞秒激光聚焦到TiAlTaN表面，飞秒激光束保持固定，调节激光脉冲能量为2μJ，频率为800Hz，扫描速度为800μm/s，扫描一遍，在整个涂层表面诱导出深度10nm，宽度100nm，间距300nm的纳米波纹结构；
(4)WS2/TaO纳米多层涂层(界面层)的制备：对样品台进行加热，温度设定为400℃。待温度达到400℃，真空室内气压达到7.0×10-3Pa，通入高纯Ar气，对WS2靶和Ta靶预溅射清洗5min；然后在靶功率为900W的条件下，采用WS2靶和通入高纯O2下的Ta靶交替沉积WS2层和TaO层。控制WS2层每层沉积2min，厚度为55nm；控制TaO层每层沉积3min，厚度为70nm，总层数为16层，制备出调制周期为125nm的WS2/TaO纳米多层涂层；
(5)WS2/TaO界面层表面纳织构的制备：将试样放置在高精度三维移动平台上，利用数值孔径为0.8的物镜(放大倍数为80倍)将800nm波长的线性偏振飞秒激光聚焦到WS2/TaO纳米多层涂层表面，飞秒激光束保持固定，调节激光脉冲能量为1.5μJ，频率为1000Hz，扫描速度为500μm/s，扫描一遍，在整个涂层表面诱导出深度15nm，宽度150nm，间距200nm的纳米波纹结构；
(6)TiAlN/WS2/TaO复合涂层(功能顶层)的制备：使用TiAl合金靶、WS2靶和TaO靶共沉积的方式制备涂层，样品温度设定为400℃，施加-120V的脉冲负偏压，占空比为60％。待温度达到400℃，真空室内气压达到7.0×10-3Pa，通入高纯Ar气，对TiAl合金靶、WS2靶和TaO靶预溅射清洗5min，调节Ar气的压强到0.5Pa。然后通入高纯N2，调节PN2/(PAr+PN2)＝30％，保持总气压为0.5Pa沉积TiAlN/WS2/TaO复合涂层，沉积TiAlN/WS2/TaO复合涂层30min，得到如图3所示的纳米刀具涂层。
实施例2
参照图2所示，一种纳米刀具涂层及其制备方法，具体步骤如下：
刀具基体材料选用高速钢，仿照C.squamiferum显微组织结构进行刀具涂层多尺度仿生结构设计，即通过溅射靶材粒子梯度生长、层生长、共生长形成微米尺度的三层功能梯度涂层，并在各层界面间引入纳米尺度的波纹结构调控层间结合强度，使刀具涂层整体呈现“硬-韧-硬”三层复合结构。其具体制备工艺步骤如下：
(1)基体研磨抛光、超声波清洗：将刀具基体表面在自动金相磨样机上制备金相试样，随后用无水乙醇进行1000#砂纸磨制，然后采用天然纤维抛光布配W2.5的金刚石抛光剂进行镜面抛光，最后分别在水和丙酮中超声清洗25min，进行表面清洁处理；
(2)TiAlTaN梯度涂层(支撑层)的制备：使用原子比50：50的TiAl合金靶和纯Ta靶制备涂层，样品温度设定为400℃，施加-120V的脉冲负偏压，占空比为60％。待温度达到400℃，真空室内气压达到7.0×10-3Pa，通入高纯Ar气，对TiAl合金靶和Ta靶预溅射清洗5min，然后调节Ar气的压强到0.5Pa，沉积5min的Ti过渡层。然后通入高纯N2，调节PN2/(PAr+PN2)＝30％，保持总气压为0.5Pa沉积TiAlTaN涂层，TiAl合金靶的溅射功率900W保持不变，控制Ta靶功率以10W/min功率增加到200W，制备出Ta含量呈梯度分布的TiAlTaN梯度涂层；
(3)TiAlTaN支撑层表面纳米波纹结构的制备：将试样放置在高精度三维移动平台上，利用数值孔径为0.8的物镜(放大倍数为80倍)将800nm波长的线性偏振飞秒激光聚焦到TiAlTaN表面，飞秒激光束保持固定，调节激光脉冲能量为1μJ，频率为500Hz，扫描速度为1000μm/s，扫描一遍，在整个涂层表面诱导出深度5nm，宽度80nm，间距200nm的纳米波纹结构；
(4)WS2/TaO纳米多层涂层(界面层)的制备：对样品台进行加热，温度设定为400℃。待温度和真空度达到要求后，通入高纯Ar气，对WS2靶和Ta靶预溅射清洗5min；然后在靶功率为900W的条件下，采用WS2靶和通入高纯O2下的Ta靶交替沉积WS2层和TaO层。控制WS2层每层沉积3min，厚度为65nm；控制TaO层每层沉积5min，厚度为85nm，总层数为16层，制备出调制周期为150nm的WS2/TaO纳米多层涂层；
(5)WS2/TaO界面层表面纳织构的制备：将试样放置在高精度三维移动平台上，利用数值孔径为0.8的物镜(放大倍数为80倍)将800nm波长的线性偏振飞秒激光聚焦到WS2/TaO纳米多层涂层表面，飞秒激光束保持固定，调节激光脉冲能量为2μJ，频率为800Hz，扫描速度为800μm/s，扫描两遍，在整个涂层表面诱导出深度20nm，宽度20nm，间距150nm的纳米波纹结构；
(6)TiAlN/WS2/TaO复合涂层(功能顶层)的制备：使用TiAl合金靶、WS2靶和TaO靶共沉积的方式制备涂层，样品温度设定为400℃，施加-120V的脉冲负偏压，占空比为60％。待温度达到400℃，真空室内气压达到7.0×10-3Pa，通入高纯Ar气，对TiAl合金靶、WS2靶和TaO靶预溅射清洗5min，调节Ar气的压强到0.5Pa。然后通入高纯N2，调节PN2/(PAr+PN2)＝30％，保持总气压为0.5Pa沉积TiAlN/WS2/TaO复合涂层，沉积TiAlN/WS2/TaO复合涂层25min，得到如图3所示的纳米刀具涂层。
测试例1
对本发明实施例1制备的纳米刀具涂层的减亲和性能进行测试。
TaO具有减亲和性能的理论：利用无机热力学理论、Gibbs自由能函数法。
TaO与Ti发生的反应为：2TaO+Ti＝TiO2+2Ta。根据应用物质自由洽函数法求化学平衡的结论式：
Figure BDA0003367966900000091
其中
Figure BDA0003367966900000092
(标准反应的焓变)、ΔΦT(反应自由焓)可通过热力学手册查表得到。
Figure BDA0003367966900000093
越负，反应向指定方向进行的可能性越大，为零时表明为可逆反应，为正值表明不反应。在刀具使用温度T＝1000K下，计算TaO与Ti反应前后Gibbs自由能的变化，得到TaO层与Ti之间的反应结合能为正值523656J.mol-1，表明钛合金与TaO材料间不易发生粘结。
测试例2
对TiAlN涂层、TiAlN/WS2涂层、表面具有纳米波纹结构的TiAlN/WS2涂层进行表征和干车削试验。
刀具基体材料选择YG6硬质合金，基体放置在真空室前的清洗工艺流程为：在温度为65℃条件下，去污剂喷洒清洗10min；室温条件下自来水清洗3min；在温度为45℃条件下，分别用酒精和丙酮各超声清洗15min；进行干燥处理。然后在基体表面利用磁控溅射的方法分别涂附TiAlN单层涂层和TiAlN/WS2双层复合涂层，并利用飞秒激光在TiAlN/WS2双层复合涂层表面诱导加工出深度为20nm，宽度为100nm，间距为200nm的纳米波纹结构。图4(a)为TiAlN涂层试样表面和截面SEM图；图4(b)为TiAlN/WS2复合涂层试样表面和截面SEM图；图4(c)为表面具有纳米波纹结构的TiAlN/WS2复合涂层试样SEM图。
干车削试验在CA6140普通车床上进行，刀具主要几何参数为：前角γ0＝-5°，后角α0＝5°，刃倾角λ0＝0°，主偏角Kr＝45°，工件材料为钛合金，切削参数为：切深0.3mm，进给速度0.1mm/r，切削速度50-200m/min，切削时间5min。切削试验过程中利用Kistler9275型压电晶体测力仪测量切削过程产生的三向切削力，根据刀-屑间平均摩擦系数计算公式：
Figure BDA0003367966900000101
其中γ0为切削前角，Fy为切削径向力，Fz为主切削力，计算获得三种不同涂层刀具在干切削条件下刀-屑间平均摩擦系数随切削速度变化曲线，如图4(d)所示。可见，随着切削速度的增加，三种刀具的刀-屑间平均摩擦系数均呈现先增加后降低的趋势。具有WS2的刀具刀－屑间平均摩擦系数相比无WS2刀具显著降低，其中具有纳米波纹结构的WS2/TiAlN刀具前刀面摩擦系数降低最明显。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种纳米刀具涂层，其特征在于，包括刀具基体以及依次在所述刀具基体表面沉积的过渡层、支撑层、界面层和功能顶层；所述过渡层为Ti过渡层；所述支撑层为TiAlTaN梯度涂层；所述界面层为WS2/TaO纳米多层涂层；所述功能顶层为TiAlN/WS2/TaO复合涂层；所述支撑层与所述界面层之间、所述界面层和所述功能顶层之间通过纳米波纹结构连接。
2.根据权利要求1所述的纳米刀具涂层，其特征在于，所述刀具基体为高速钢、硬质合金或陶瓷。
3.根据权利要求1所述的纳米刀具涂层，其特征在于，所述支撑层、界面层和功能顶层的厚度均为1-2μm。
4.根据权利要求1所述的纳米刀具涂层，其特征在于，所述多层纳米涂层中WS2层厚度为55-65nm；TaO层厚度为70-85nm，总层数为10-30层。
5.根据权利要求1所述的纳米刀具涂层，其特征在于，所述纳米波纹结构的深度为5-20nm，宽度为20-150nm，槽间距为150-300nm。
6.权利要求1-5任一项所述的纳米刀具涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过TiAl合金靶在预处理后的基体表面磁控溅射沉积Ti，得到过渡层；
S2、氮气气氛下，使用TiAl合金靶和Ta靶，通过磁控溅射在S1步骤所述过渡层表面沉积TiAlTaN梯度涂层，采用飞秒激光技术在梯度涂层表面加工出纳米波纹结构，得到支撑层；
S3、氧气气氛下，使用WS2靶和Ta靶，通过磁控溅射在S2步骤所述支撑层表面交替循环沉积WS2/TaO多层纳米涂层，采用飞秒激光技术在多层纳米涂层表面加工出纳米波纹结构，得到界面层；
S4、氮气气氛下，使用TiAl合金靶、WS2靶和TaO靶，通过磁控溅射在S3步骤所述界面层表面以共沉积的方式沉积TiAlN/WS2/TaO复合涂层，得到所述功能顶层。
7.根据权利要求6所述的纳米刀具涂层的制备方法，其特征在于，在S1步骤中，所述预处理是对基体表面进行研磨、抛光和超声波清洗；所述清洗的溶剂为水和/或有机溶剂；所述有机溶剂为乙醇或丙酮。
8.根据权利要求6所述的纳米刀具涂层的制备方法，其特征在于，在S2步骤中，所述沉积过程中TiAl合金靶的溅射功率保持不变，Ta靶溅射功率持续增强；TiAl合金靶的溅射功率为850-950W，Ta靶的变化功率为8-200W。
9.根据权利要求6所述的纳米刀具涂层的制备方法，其特征在于，在S2和S3步骤中，所述飞秒激光技术的激光脉冲能量为0.5-2μJ，激光频率为500-1000Hz，激光扫描速度为100-1000μm/s。
10.根据权利要求6所述的纳米刀具涂层的制备方法，其特征在于，沉积过程中样品台加热温度为350-450℃，真空度为6.0×10-3-8.0×10-3Pa；所述磁控溅射的气体为氩气，总气压为0.4-0.6Pa。
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