CN114381690A - 一种CrAlMeN-CrAlN纳米多层结构涂层及其制备方法与用途 - Google Patents

一种CrAlMeN-CrAlN纳米多层结构涂层及其制备方法与用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及—种CrAlMeN‑CrAlN纳米多层结构涂层及其制备方法与用途，所述涂层为依次沉积的周期性涂层单元，所述周期性涂层单元包括CrAlMeN层、CrAlN层和两层过渡层，其中一层过渡层设置在所述CrAlMeN层和CrAlN层之间；所述CrAlMeN层中Me包括Zr、Hf、V、Ta、Nb、Ti、W、Mn、Mo或Si中的任意一种或至少两种组合；所述过渡层的化学式为Crx2Aly2Me(1‑x2‑y2)N，其中0.25≤x2≤0.45，0.5≤y2≤0.75，0.01≤1‑x2‑y2≤0.1。所述纳米多层结构涂层具有优异的超硬性、强韧性、结合强度高、抗开裂、耐腐蚀和耐氧化等性能。

Description

一种CrAlMeN-CrAlN纳米多层结构涂层及其制备方法与用途
技术领域
本发明属于涂层领域，具体涉及一种CrAlMeN-CrAlN纳米多层结构涂层及其制备方法与用途。
背景技术
随着刀具切削加工技术的快速发展，需求量以年均30％以上的速度增加。人们对刀具的材料和性能提出更高的要求，要求具备高硬度、高耐磨性、高韧性和高精度等性能，其中，通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等技术在刀具表面沉积涂层已成为现代切削刀具发展的重要方向，涂层作为硬质合金切削工具的重要组成部分，和基体、槽型一起紧密关系到刀具的使用性能，稳定的涂层可以显著提升切削工具的使用寿命和加工效率。
CrN涂层是应用较早和较广泛的刀具涂层材料，在CrN涂层的基础上，人们又开发出了具有高硬度、高耐磨性及抗高温氧化的性能更为优良的CrAlN刀具涂层，大大提高了刀具的切削性能及使用寿命。CN113652638A公开了一种超高硬质刀具涂层及其制备方法，所述超高硬质刀具涂层包括CrN层和AlCrN层，所述CrN层的一侧包覆在经溅射清洗后刀具基体表面，另一层沉积包覆有所述AlCrN层。多元复合涂层具有更加优异的力学性能和包覆结构。但上述涂层各层厚度较大，随着涂层厚度的增加，涂层内应力会增大，大大限制其工业应用。
在CrN涂层的基础上，人们又开发了纳米多层结构涂层，纳米多层结构涂层是指有两种厚度在纳米尺度上的不同材料或结构层交替排列而成的涂层体系，涂层在厚度方向上具有纳米量级的周期性，具有一个双层厚度的基本固定的超点阵周期。与单层以及多层结构涂层相比，由于其在结构上的纳米尺度所造成的霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系，在力学性能上表现出超硬度和超模量效应，具有其它涂层所不具备的超硬度，能够提高耐磨损性能。
纳米多层结构涂层与其它涂层不同的一个重要特征，在于界面数量的极大增加。尽管存在多重界面，可以使得涂层结构具有更高的抗腐蚀性、抗氧化性等；但同时也导致不同纳米层之间界面的增多，诸如晶格常数等结构过快过频繁变化，显著增大了涂层之间的内应力，使得界面上的涂层结合强度不足，使涂层在实际应用时，易在高温高冲击力下脱落，导致性能上的缺陷与寿命的降低。同时，过多过快的差异界面变化也给涂层性能特别是力学性能带来了不稳定。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种CrAlMeN-CrAlN纳米多层结构涂层及其制备方法与用途，所述纳米多层结构涂层具有优异的超硬性、强韧性、结合强度高、抗开裂、耐腐蚀和耐氧化等性能，将所述涂层通过物理气相沉积法(PVD)沉积在切削工具表面，可有效提升切削工具的使用寿命，提升切削工具表面光洁度和切削加工速度。
为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种CrAlMeN-CrAlN纳米多层结构涂层，所述涂层为依次沉积的周期性涂层单元，所述周期性涂层单元包括CrAlMeN层、CrAlN层和两层过渡层，其中一层过渡层设置在所述CrAlMeN层和CrAlN层之间；
所述CrAlMeN层中Me包括Zr、Hf、V、Ta、Nb、Ti、W、Mn、Mo或Si中的任意一种或至少两种组合，所述组合典型但非限制性实例有：Zr和Hf的组合、Mo和W的组合或Ta和Nb的组合等。
所述过渡层的化学式为Crx2Aly2Me(1-x2-y2)N，其中0.25≤x2≤0.45，例如可以是0.25、0.27、0.3、0.32、0.34、0.36、0.38、0.4、0.42、0.44或0.45等，0.5≤y2≤0.75，例如可以是0.5、0.52、0.54、0.56、0.58、0.6、0.62、0.64、0.66、0.68、0.7、0.72或0.75等，0.01≤1-x2-y2≤0.1，例如可以是0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09或0.1等。
本发明中，纳米多层结构涂层采用两种纳米尺度上的CrAlMeN、CrAlN成分和结构层交替排列而成，在每两种不同成分的纳米层之间存在一层过渡层，以降低纳米结构涂层内部过多过快的界面变化，通过设置过渡层能够提高与CrAlMeN层、CrAlN层间的结合强度，提高涂层力学性能的稳定性。所述纳米多层结构涂层具有优异的超硬性、强韧性、结合强度高、抗开裂、耐腐蚀和耐氧化等性能，将所述纳米多层结构涂层沉积在切削工具上，可以有效抑制和减缓切削工具基体表面的磨损、腐蚀、氧化、疲劳和裂纹萌生，有效提高切削工具的使用性能与寿命，提高金属去除率，提高被加工表面的光洁度与加工精度等。
作为本发明优选的技术方案，所述CrAlMeN层的化学式为Crx1Aly1Me(1-x1-y1)N，其中0.25≤x1≤0.45，例如可以是0.25、0.27、0.3、0.32、0.34、0.36、0.38、0.4、0.42、0.44或0.45等，0.45≤y1≤0.65，例如可以是0.45、0.46、0.48、0.5、0.52、0.54、0.56、0.58、0.6、0.62或0.65等，0.03≤1-x1-y1≤0.2，例如可以是0.03、0.05、0.07、0.09、0.1、0.12、0.14、0.16、0.18或0.2等。
优选地，所述CrAlMeN层的Me含量与所述过渡层的Me含量比为2≤(1-x1-y1)/(1-x2-y2)≤3，例如可以是2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3等。
作为本发明优选的技术方案，所述CrAlN层的化学式为CrzAl(1-z)N，其中0.25≤z≤0.45，例如可以是0.25、0.27、0.3、0.32、0.34、0.36、0.38、0.4、0.42、0.44或0.45等。
本发明中，所述涂层各层的主体相成分均为CrN(立方相)类结构。
作为本发明优选的技术方案，所述CrAlMeN层的厚度为3-15nm，例如可以是3nm、5nm、7nm、9nm、10nm、11nm、13nm或15nm等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述CrAlN层的厚度为2.7-14nm，例如可以是2.7nm、4nm、6nm、8nm、10nm、12nm或14nm等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述过渡层的厚度为0.3-1.5nm，例如可以是0.3nm、0.5nm、0.7nm、0.9nm、1nm、1.1nm、1.3nm或1.5nm等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述周期性涂层单元的厚度为6-30nm，例如可以是6nm、8nm、10nm、12nm、14nm、16nm、18nm、20nm、22nm、24nm、26nm、28nm或30nm等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述CrAlMeN层厚度占周期性涂层单元厚度的30-70％，例如可以是30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％或70％等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述CrAlN层厚度占周期性涂层单元厚度的25-60％，例如可以是25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％或60％等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述过渡层厚度占周期性涂层单元厚度的3-10％，例如可以是3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，通过调整所述过渡层的成分、结构与厚度之间的关系，能够保证涂层性能的稳定性，同时提升了两种不同成分涂层与过渡层之间的结合力强度，在微观上界面清晰，阻止涂层的位错与缺陷滑移、降低裂纹的产生与扩大，提升抗崩性能。
作为本发明优选的技术方案，所述CrAlMeN层为A层，所述过渡层为B层，所述CrAlN层为C层。
优选地，所述周期性涂层单元的沉积顺序包括如下情况中的任意一种：
B层→A层→B层→C层；
B层→C层→B层→A层；
A层→B层→C层→B层；
C层→B层→A层→B层。
本发明还提供了如前所述的涂层的制备方法，所述制备方法包括：将待涂工件装夹在物理气相沉积设备的圆形旋转盘上，加热处理后通N2气氛进行涂层沉积，在旋转盘四周按所述周期性涂层单元的沉积顺序放置金属靶材A、B、C；当待涂工件旋转至金属靶材A区域，沉积所述CrAlMeN层；当待涂工件旋转至金属靶材B区域，沉积所述过渡层；当待涂工件旋转至金属靶材C区域，沉积所述CrAlN层；通过旋转盘的旋转，周期性沉积得到所述涂层。
本发明中，所述金属靶材A的成分为Cra1Ala2Mea3N，其中0.25≤a1≤0.45，0.45≤a2≤0.63，0.025≤a3≤0.18；所述金属靶材B的成分为Crb1Alb2Meb3N，其中0.25≤b1≤0.45，0.53≤b2≤0.73，0.008≤b3≤0.09，所述金属靶材C的成分为Crc1Alc2N，其中0.25≤c1≤0.45，0.55≤c2≤0.75。
本发明中，通过调节沉积过程中的靶电流强度来控制金属靶材中各金属元素的相对蒸发电离速率，通过调节工件表面偏压电场强度、工件沉积温度等来控制各金属离子与N元素各自的相对结合沉积速率，从而在金属靶材成分的基础上进一步调制，沉积得到具有特殊涂层化学元素比和微结构的纳米多层结构涂层。
本发明中，通过调节工件转盘转速来控制工件在不同金属靶材前停留的时间，通过改变不同成分金属靶材的数量与数量比，来调整沉积得到的涂层各部分结构之间的厚度关系。
本发明中，所述涂层制备前进行涂层前预处理，为获得一个有利于涂层沉积附着的待涂表面，所述涂层前预处理包括待涂表面机械加工、喷砂、退磁或清洗中的任意一种或至少两种组合。
本发明中，所述待涂表面机械加工包括：通过磨削、抛光等工艺将待涂工件加工至所需的工件形状尺寸，并平整抛光表面，提升涂层与基体之间的结合强度。
本发明中，所述喷砂包括：通过干喷或湿喷等方式，将工件表面过于尖锐、没有平滑的刃口进行钝化，降低涂层膜在刃口产生的内应力，降低裂纹产生与涂层剥落，光滑待涂表面，减少表面划痕以利于涂层沉积。
本发明中，所述退磁包括：通过施加一定的变化磁场，去除待涂工件本身自带的磁性，减少表面磁性粉尘附着，减少涂层时工件磁性对炉内电磁场分布的影响，提升涂层结合力与涂层均匀性稳定性。
本发明中，所述清洗包括：使用纯水、碱性清洗剂、超声波、高温烘干等手段，清洁待涂工件表面的脏污粉尘，利于涂层的沉积附着，提升涂层结合力。
本发明中，涂层制备工艺包括涂层炉中的抽真空、加热、蚀刻、沉积和降温等。
本发明中，所述加热包括：涂层炉内抽真空，将待涂工件加热至涂层所需温度，并全程控制炉内温度保持稳定，保证涂层沉积反应的正常进行。
本发明中，所述蚀刻包括：使用电离的Ar离子或靶材激发的金属离子在高电压电场强度下加速轰击工件表面，将待涂表面的残余气体物质溅射出来，清洁光滑表面，利于涂层沉积提升结合力。
本发明中，所述沉积包括：使用电弧蒸发电离金属靶材，使金属离子在电压电场强度下加速轰击工件表面，并在工件表面与N2气氛反应沉积生长，得到该金属成分的氮化物涂层。
本发明中，所述降温包括：使用涂层炉设备的自然冷却模式或快冷模块，直到涂层工件温度降至100℃以下或室温。
作为本发明优选的技术方案，所述加热处理的温度为450-650℃，例如可以是450℃、460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃、580℃、600℃、620℃、640℃或650℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述金属靶材A的激发电弧电流为100-250A，例如可以是100A、120A、140A、160A、180A、200A、220A、240A或250A等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述金属靶材B的激发电弧电流为10-50A，例如可以是10A、15A、20A、25A、30A、35A、40A、45A或50A等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述金属靶材C的激发电弧电流为100-250A，例如可以是100A、120A、140A、160A、180A、200A、220A、240A或250A等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述电压强度为-30～-150V，例如可以是-30V、-40V、-50V、-60V、-70V、-80V、-90V、-100V、-110V、-120V、-130V、-140V或-150V等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述工件旋转的速度为0.75-3r/min，例如可以是0.75r/min、1r/min、1.2r/min、1.4r/min、1.6r/min、1.8r/min、2r/min、2.2r/min、2.4r/min、2.6r/min、2.8r/min或3r/min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明还提供了如前所述的涂层的应用，所述涂层用于沉积在切削工具表面或作为切削工具表面涂层的一部分。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
所述纳米多层结构涂层具有优异的超硬性、强韧性、结合强度高、抗开裂、耐腐蚀和耐氧化等性能，本发明还提供了一种工艺简单、生产成本低、设备要求低的涂层制备方法，所述涂层通过物理气相沉积(PVD)沉积在切削工具表面，能够满足高速切削的需求，且延长了切削刀具的使用寿命。
附图说明
图1是本发明制备的CrAlMeN/CrAlN纳米多层结构涂层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
本发明实施例及对比例使用一种硬质合金刀片样品作为PVD涂层基体，刀片型号为WNMG080408-LM。在涂层前对刀片进行预处理，保持良好的待涂表面状态。通过物理气相沉积法(PVD)，采用电弧离子镀设备制备涂层。
实施例1
本实施例提供了一种纳米多层结构涂层的制备方法，所述涂层的制备方法为：将3种金属靶材A、B、C按照周期性涂层单元的沉积顺序A→B→C→B依次装夹在电弧离子镀设备的靶材位置上，所述金属靶材A、B、C、B的数量比为1:1:1:1；所述金属靶材A成分为：Cr0.37Al0.53Nb0.1，所述金属靶材B成分为：Cr0.37Al0.59Nb0.04，所述金属靶材C成分为：Cr0.37Al0.63。
将经过预处理的刀片基体装夹在圆形旋转盘上，保持刀片基体以2r/min的速度不断旋转，将电弧离子镀设备炉内抽真空至5×10-4mbar以下；然后通过电弧离子镀设备炉内的加热装置将刀片基体表面加热至500℃并保持稳定；向电弧离子镀设备炉内通入Ar气，保持炉内Ar分压为0.05mbar，用于维持金属靶电弧的产生，打开Ar电离室开关，设置负偏压为-200V，使电离后的Ar离子在电场作用下高速轰击刀片基体，持续蚀刻30min。
维持Ar分压不变，通入N2气氛，保持炉内N2分压为为0.1mbar，对待涂刀片基体施加沉积负偏压为-50V，启动金属靶材A、B、C的电弧蒸发装置，设置金属靶材A、B、C电流分别为200A、25A、200A。在电弧的作用下，金属靶上的金属粒子蒸发电离，并在负偏压电场的作用下向待涂刀片基体加速运动，在待涂刀片基体表面与N2结合，反应沉积得到涂层。当待涂刀片基体旋转至金属靶A区域时，沉积CrAlNbN层；当待涂刀片基体旋转至金属靶B区域时，沉积过渡层；当待涂刀片基体旋转至金属靶C区域时，沉积CrAlN层；保持旋转盘不断旋转，周期性沉积得到所述CrAlMeN-CrAlN纳米多层结构涂层。涂层时间为60min，停止涂层后通入Ar气，保持炉内气压为200mbar，炉内开始降温。
实施例2至15、对比例1至4：
实施例2至15、对比例1至4与实施例1的区别仅在于，所用靶材成分和数量及涂层工艺参数不同，其他条件均与实施例1相同。
对比例5
对比例5与实施例1的区别仅在于，对比例5未设置金属靶材B，其他条件均与实施例1相同。
各实施例及对比例的金属靶材成分和数量及涂层工艺参数分别见表1和表2。
表1
靶材A成分 靶材B成分 靶材C成分 靶材数量比
实施例1 Cr0.37Al0.53Nb0.1 Cr0.37Al0.59Nb0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例2 Cr0.27Al0.63Ti0.1 Cr0.27Al0.69Ti0.04 Cr0.27Al0.73 1:1:1:1
实施例3 Cr0.42Al0.48V0.1 Cr0.4Al0.56V0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例4 Cr0.35Al0.62Mo0.03 Cr0.32Al0.67Mo0.01 Cr0.32Al0.68 2:1:1:1
实施例5 Cr0.35Al0.47W0.18 Cr0.37Al0.54W0.09 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例6 Cr0.37Al0.53Si0.1 Cr0.37Al0.59Si0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例7 Cr0.37Al0.53Ta0.1 Cr0.37Al0.59Ta0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例8 Cr0.37Al0.48Hf0.15 Cr0.37Al0.57Hf0.06 Cr0.37Al0.63 1:1:2:1
实施例9 Cr0.37Al0.53Mn0.1 Cr0.37Al0.59Mn0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例10 Cr0.37Al0.53Zr0.1 Cr0.37Al0.59Zr0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例11 Cr0.37Al0.53Si0.1 Cr0.37Al0.59Si0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例12 Cr0.37Al0.53Ta0.1 Cr0.37Al0.59Ta0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
实施例13 Cr0.37Al0.53Mo0.1 Cr0.37Al0.59Mo0.04 Cr0.37Al0.63 2:1:1:1
实施例14 Cr0.37Al0.53Hf0.1 Cr0.37Al0.59Hf0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:2:1
实施例15 Cr0.37Al0.53Zr0.1 Cr0.37Al0.59Zr0.04 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
对比例1 Cr0.22Al0.68Ti0.1 Cr0.22Al0.74Ti0.04 Cr0.22Al0.78 1:1:1:1
对比例2 Cr0.47Al0.43V0.1 Cr0.47Al0.49V0.04 Cr0.47Al0.53 1:1:1:1
对比例3 Cr0.35Al0.63Mo0.02 Cr0.37Al0.625Mo0.005 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
对比例4 Cr0.32Al0.48W0.2 Cr0.37Al0.53W0.1 Cr0.37Al0.63 1:1:1:1
对比例5 Cr0.37Al0.53Nb0.1 - Cr0.37Al0.63 1:0:1:0
表2
Figure BDA0003463917510000111
将实施例1-15和对比例1-5沉积纳米多层结构涂层后的工件进行成分和结构检测。
采用透射电子显微镜(TEM)对涂层进行观测，将TEM的放大倍率设置为125万倍，在所述纳米多层结构涂层的A层、B层以及C层上的不同位置各取点至少5个，单点扫描目标位置各元素原子含量占比，取均值作为所述A层、B层以及C层的元素原子含量百分比。
在TEM的放大倍数为125万倍视场下，选择能够清晰观测到A层、B层以及C层条纹界限的样品的不同区域位置(至少5个)进行拍照，根据标尺测量结果并统计各图中的A层、B层以及C层涂层厚度，取均值作为所述A层、B层以及C层的涂层厚度。所述涂层A层单层厚度a，所述涂层B层单层厚度b，所述涂层C层单层厚度c。
使用XRD对涂层样品进行测试分析，掠入射角设定为1-3°，根据XRD衍射峰图谱判定涂层相成分。
采用纳米压痕设备测试涂层的显微维氏硬度，所述测试方案为：通过控制涂层表面的压头压入深度在0.2-0.5um，测试压头压力。测试样品数至少5个以上，总数据点至少25个以上，取各数据点进行数学统计，取均值、标准差，并用数学统计中的置信度(P值)检验所得数据点的分布是否满足正态分布。
实施例1-15和对比例1-5测试得到的A层、B层以及C层元素原子含量百分比和厚度如表3所示。实施例1-15和对比例1-5测试得到的涂层单次周期厚度和A层、B层以及C层占单次周期涂层厚度百分比如表4所示。实施例1-15和对比例1-5测试得到的显微维氏硬度、标准差以及置信度如表5所示。
表3
Figure BDA0003463917510000121
Figure BDA0003463917510000131
表4
Figure BDA0003463917510000132
Figure BDA0003463917510000141
表5
显微维氏硬度 标准差 正态性检验P值
实施例1 2925 83.25 0.638
实施例2 2787 108.28 0.685
实施例3 2830 73.67 0.774
实施例4 2726 77.18 0.165
实施例5 2763 65.97 0.367
实施例6 2969 97.81 0.093
实施例7 2731 95.88 0.097
实施例8 2805 113.76 0.192
实施例9 2883 105.59 0.543
实施例10 2811 109.78 0.575
实施例11 2892 136.35 <0.005
实施例12 2639 175.29 0.159
实施例13 2708 148.75 <0.005
实施例14 2783 142.42 <0.005
实施例15 2835 167.11 <0.005
对比例1 2307 165.34 <0.005
对比例2 2579 144.58 0.293
对比例3 2583 204.46 0.127
对比例4 2395 143.58 0.018
对比例5 2802 248.97 <0.005
本发明所述涂层主要适用于切削工具，涂层需要具有高硬度以保证切削工具表面的耐磨性，所述涂层的显微维氏硬度均值优选为2650以上。为体现涂层力学性能的稳定性以及过渡层的作用，将得到的涂层显微维氏硬度结果进行正态性检验，将正态性检验的置信因子α定为0.05，即P值>0.05时，测试的硬度数据符合正态分布，所测涂层硬度与力学性能稳定；当P值<0.05时，测试的涂层硬度不符合正态分布，所测涂层硬度与力学性能不稳定。
由表3-5可以得知：
(1)实施例1-10所制备的涂层各层成分与厚度均满足要求，制备的涂层整体力学性能良好、显微维氏硬度均大于2700，正态性检验P值均>0.05，表现出高硬度与高稳定性。
(2)相较于实施例6，实施例11中所制备的涂层单次周期厚度(a+2b+c)低于6nm，制备的涂层硬度高但整体稳定性较差，因当单次周期厚度较低时，涂层单层厚度较薄，整体连续性不佳，容易出现部分层级因扩散等作用而导致相对界面不清晰甚至断续，而清晰的界面是纳米多层结构涂层性能改善的重要条件，因此涂层整体稳定性较差；相较于实施例7，实施例12中涂层单次周期厚度(a+2b+c)高于30nm，制备的涂层硬度偏低但稳定性好，因当单次周期厚度较高时，涂层单层厚度较厚，根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系，纳米尺度下的超硬性效应降低，涂层硬度等力学性能降低。
(3)相较于实施例4，实施例13中涂层中A层厚度占比a/(a+2b+c)高于70％，C层厚度占比c/(a+2b+c)低于25％，相较于实施例8，实施例14中涂层中涂层A层厚度占比a/(a+2b+c)低于30％，C层厚度占比c/(a+2b+c)高于60％，制备的涂层硬度高，但稳定性较差。由于纳米多层结构涂层的A层与C层厚度比值显著影响涂层性能，若A层与C层中的任一种涂层厚度在其中占比高于所述要求，都将导致该层涂层因厚度偏高而纳米尺寸下的超硬性效应下降，同时，另一种涂层因厚度偏低而存在界面因扩散等作用而不清晰，甚至存在另一种涂层在某区域被全部扩散而不连续的情况，导致涂层整体性能的降低与不稳定性。
(4)相较于实施例10，实施例15中涂层B层厚度占比b/(a+2b+c)高于10％，制备的涂层硬度高但整体稳定性差，由于B层作为过渡层，其厚度占比显著影响到涂层性能。当B层厚度占比超过所述要求上限时，则表明过渡层界面过厚，在一定程度上挤压了A层、C层的厚度，使其层级不连续，影响涂层硬度与力学性能的稳定性。
(5)相较于实施例2，对比例1中各个涂层成分中Cr元素原子比低于要求下限，Al元素原子比高于要求上限，制备的涂层硬度过低且稳定性差；相较于实施例3，对比例2中各个涂层成分中Cr元素原子比高于要求上限，Al元素原子比低于要求下限，制备的涂层硬度偏低，表明Cr、Al的元素含量显著影响着涂层的微结构，涂层整体相成分为类CrN立方相，当Cr元素含量过低时，涂层结构不足以全部形成类CrN立方相，而会析出部分类AlN六方相，使涂层结构不稳定，严重降低涂层硬度；当Cr含量过高时，Al元素和Me元素含量较低，导致固溶产生的涂层结构内部晶格畸变量相对较少，不利于减缓位错滑移，使得整体硬度偏低。
(6)相较于实施例4，对比例3中涂层成分中A、B层中Me元素原子比均低于要求下限，制备的涂层硬度偏低，由于Me的元素含量显著影响着涂层微结构，A层和B层之间的结构主要在于Me元素的原子含量，Me以替代形式固溶在CrAlN固溶体中，当Me元素含量过低时，A、B、C三层之间成分结构差异过小，未表现出较为明显的纳米多层结构，使得整体涂层成为一种简单的微米级单层结构涂层，失去了纳米多层结构的性能特性，性能与硬度整体降低；相较于实施例5，对比例4中涂层成分中A、B层Me元素原子比均高于要求上限，制备的涂层硬度较低且稳定性不足，当Me含量过高时，超出了CrAlN固溶体的饱和固溶度，将会有部分Me与其它元素析出，大幅降低涂层本身硬度和稳定性。
(7)相较于实施例1，对比例5中涂层结构不存在过渡层B层，制备的涂层硬度较高但稳定性差。原因在于A层与C层之间缺少过渡层，使得两者之间的界面上晶格常数等结构变化幅度过快，缺少过渡，内应力较大，造成结合强度不足，阻止位错滑移的能力不稳定，给涂层的力学性能带来较大的不稳定性。
由图1可知，本发明制备的CrAlMeN/CrAlN纳米多层结构涂层为依次沉积的周期性涂层单元，所述周期性涂层单元包括CrAlMeN层、CrAlN层和两层过渡层，所述CrAlMeN层和CrAlN层之间设置有一层过渡层，所述单一周期性涂层单元的顺序为CrAlN层、过渡层、CrAlMeN层和过渡层。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种CrAlMeN-CrAlN纳米多层结构涂层，其特征在于，所述涂层为依次沉积的周期性涂层单元，所述周期性涂层单元包括CrAlMeN层、CrAlN层和两层过渡层，其中一层过渡层设置在所述CrAlMeN层和CrAlN层之间；
所述CrAlMeN层中Me包括Zr、Hf、V、Ta、Nb、Ti、W、Mn、Mo或Si中的任意一种或至少两种组合；
所述过渡层的化学式为Crx2Aly2Me(1-x2-y2)N，其中0.25≤x2≤0.45，0.5≤y2≤0.75，0.01≤1-x2-y2≤0.1。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述CrAlMeN层的化学式为Crx1Aly1Me(1-x1-y1)N，其中0.25≤x1≤0.45，0.45≤y1≤0.65，0.03≤1-x1-y1≤0.2；
优选地，所述CrAlMeN层的Me含量与所述过渡层的Me含量比为2≤(1-x1-y1)/(1-x2-y2)≤3。
3.根据权利要求1或2所述的涂层，其特征在于，所述CrAlN层的化学式为CrzAl(1-z)N，其中0.25≤z≤0.45。
4.根据权利要求1-3任一项所述的涂层，其特征在于，所述CrAlMeN层的厚度为3-15nm；
优选地，所述CrAlN层的厚度为2.7-14nm；
优选地，所述过渡层的厚度为0.3-1.5nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的涂层，其特征在于，所述周期性涂层单元的厚度为6-30nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的涂层，其特征在于，所述CrAlMeN层厚度占周期性涂层单元厚度的30-70％；
优选地，所述CrAlN层厚度占周期性涂层单元厚度的25-60％；
优选地，所述过渡层厚度占周期性涂层单元厚度的3-10％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的涂层，其特征在于，所述CrAlMeN层为A层，所述过渡层为B层，所述CrAlN层为C层；
优选地，所述周期性涂层单元的沉积顺序包括如下情况中的任意一种：
B层→A层→B层→C层；
B层→C层→B层→A层；
A层→B层→C层→B层；
C层→B层→A层→B层。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将待涂工件装夹在物理气相沉积设备的圆形旋转盘上，加热处理后通N2气氛进行涂层沉积，在旋转盘四周按所述周期性涂层单元的沉积顺序放置金属靶材A、B、C；当待涂工件旋转至金属靶材A区域，沉积所述CrAlMeN层；当待涂工件旋转至金属靶材B区域，沉积所述过渡层；当待涂工件旋转至金属靶材C区域，沉积所述CrAlN层；通过旋转盘的旋转，周期性沉积得到所述涂层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述加热处理的温度为450-650℃。
10.一种根据权利要求1-7任一项所述的涂层的应用，其特征在于，所述涂层用于沉积在切削工具表面或作为切削工具表面涂层的一部分。
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