CN114892169A - 复合涂层及包含其的工具件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及复合涂层及包含其的工具件。本申请的一些实施例提供了一种复合涂层，该复合涂层包括：在基材上形成高熵合金涂层及碳化钨层。高熵合金涂层包含通式AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金。碳化钨层设置于高熵合金涂层的表面上。本申请具有复合涂层的工具件具有优异的强韧性表现及润滑性，能够提升工具件的使用寿命及运作效能。

Description

复合涂层及包含其的工具件
技术领域
本申请涉及复合材料技术领域，特别涉及复合涂层及其制备方法。
背景技术
本领域中，涂层工艺被广泛地用于以工业制品中并根据性能需要以改进 其表面的物理特性，进而获得具有高耐磨性、高抗腐蚀性或高硬度的工业制 品。随着先进制造业的发展，对材料的表面性能提出了越来越高的要求。常 规的氮化物涂层已经逐渐不能满足现有产品的涂层需求，而需要对涂层的结 构与材料进行进一步的改进与研究。
对涂层的结构与材料进行的改进与研究中，最具代表性的涂层研究为高 熵合金的应用。高熵合金是指5-13种金属或非金属元素(每种元素含量为5％ -35％)进行等摩尔配比，经熔炼、烧结而成的新型金属材料。然而，现有专 利对于高熵合金的研究与应用多专注于通过高熵合金薄膜的制备来提高涂 层的耐磨性能，其往往只在乎薄膜涂层的硬度，并未提及薄膜涂层的韧性， 更未提及润滑性对耐磨性的影响。因此，对于现有的高熵合金涂层还有进一 步改进的必要。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本申请的目的之一在于提供一种复合涂层 及其制备方法，以优化具有该复合涂层的产品的表面性能需求。
根据本申请的一个方向，本申请的一些实施例提供了一种复合涂层，该 复合涂层包括：在基材上形成高熵合金涂层及碳化钨层。高熵合金涂层包含 通式AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金。碳化钨层设置于高熵合金涂层的表面 上。
在一些实施例中，高熵合金涂层由该高熵合金组成。
在一些实施例中，高熵合金中Cu的摩尔含量为10％至25％。
在一些实施例中，高熵合金层的厚度为500nm至1000nm。
在一些实施例中，碳化钨层的厚度为200nm至800nm。
在一些实施例中，该复合涂层进一步包含：冶金层，该冶金层设置于基 材的表面与所述高熵合金涂层之间。
在一些实施例中，冶金层包含钛合金。
在一些实施例中，冶金层的厚度为10nm至500nm。
在一些实施例中，该复合涂层进一步包含：过渡金属陶瓷层，该过渡金 属陶瓷层设置于所述冶金层与所述高熵合金涂层之间，所述过渡金属陶瓷层 包含通式AlSiCrTiN所表达的过渡金属陶瓷。
在一些实施例中，过渡金属陶瓷层所选靶材成分为Al含量为10％至30％； Si含量为1％至15％；Cr含量为15％至35％；Ti含量为15％至35％。
在一些实施例中，过渡金属陶瓷层的厚度为800nm至1200nm。
根据本申请的另一个方向，本申请的一些实施例提供了一种工具件，工 具件的表面上设置了上述实施例中所述的复合涂层。
在本申请实施例中，通过使用通式AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金，能 够有效提升高熵合金层的韧性，同时通过添加碳化钨层，能够使具备本申请 复合涂层的工具件表面具有极高的自润滑性能。碳化钨层具有细腻致密及耐 高温的特性，在与其他工具件摩擦时能够分解形成碳膜以作为工具件与涂层 之间的润滑剂，能极大的缓解涂层与其他工具件之间的磨损。高熵合金层与 碳化钨层具有极佳的结合性及优异的应力分布，相较于现有的涂层，本申请 的复合涂层能够有效提升材料强韧性及自润滑性，当其应用于多个相互接触/作用的工具件之间时，能够进一步优化各个工具件彼此的运作性能。本申 请具有复合涂层的工具件具有优异的强韧性表现及润滑性，能够提升工具件 的使用寿命及运作效能。
附图说明
在下文中将简要地说明为了描述本申请实施例或现有技术所必要的附 图以便于描述本申请的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本申 请中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下， 依然可以根据这些附图中所例示的结构来获得其他实施例的附图。
图1是根据本申请一些实施例的复合涂层的结构示意图。
图2是根据本申请一些实施例的复合涂层的结构示意图。
图3是根据本申请一些实施例的复合涂层的结构示意图。
图4为本申请实施例1的复合涂层与钢球摩擦后的表面摩擦系数曲线图。
具体实施方式
本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。本申请的实施例不应该被 解释为对本申请的限制。
除非另外明确指明，本文使用的下述术语具有下文指出的含义。
如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”及“约”用以 描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事 件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来 说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范 围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、 小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于
±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的 ±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等 于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或 等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。
在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的至少一者”、“中的至 少一个”、“中的一种或多种”、“中的一者或多者”或其他相似术语所连 接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B， 那么短语“A及B中的一者或多者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一 实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的一者或多者” 意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排 除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B 可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
再者，为便于描述，“第一”、“第二”、“第三”等等可在本文中用 于区分一个图或一系列图的不同组件。除非经特别指定或限定之外，“第一”、 “第二”、“第三”等等不意欲描述对应组件。
高熵合金为近年来合金化理论的主要研究项目之一。高熵合金为元素组 成成分在5项以上，各元素成分为均匀混合的合金。高熵合金由于其组成成 分的高熵效应会导致其系统自由能的降低，使得合金在凝固过程中将优先形 成体心立方结构(BCC)和面心立方结构(FCC)等高熵固溶体，而不会形成脆 性的金属间化合物。同时，由于高熵合金具有热力学上的高熵效应、结晶学 方面的晶格畸变效应、动力学上的迟缓扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应， 使其相较于一般氮化物具有高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等优异性能。
中国专利CN108220880B公开一种高硬度高耐蚀性的高熵合金氮化物 涂层，该涂层采用的AlCrTiZrNbVN所表示的氮化高熵合金，并获得了硬度 超过35GPa的涂层。然而，该涂层不具备足够的韧性使其表面容易造成摩 擦，当其设置于工具件表面时，在高强度运行下往往容易造成与工具件接触 的其他工具件表面的磨损，进而导致工具件整体的使用寿命的降低。中国专 利CN111321381B公开一种用于硬质合金刀片高熵合金氮化物涂层，其采用 的AlCrNbSiTiBN所表示的氮化高熵合金，并公开了具有梯度结构的AlCrNbSiTiBN/AlCrTiSiYN的多层复合高熵合金涂层，以降低涂层和基体的 应力，从而提高刀片基体与高熵合金涂层的韧性。然而，CN111321381B公 开的涂层主要的作用是应用于刀片表面的涂层，其仅针对涂层与基材的结合 强度与硬度进行特化，其并未考虑涂层用于其他类型的工具件的状况，该涂 层表面由于硬度过高且润滑性过低，并同样不适合用于需要长时间与其他工 具件表面接触的工具件。
现阶段对于高熵合金的研究仅限于提高高熵合金薄膜的硬度与本身的 耐磨性能，对于如何提高涂层的强韧性与自润性，以优化与其他产品表面涂 层的相互作用都缺乏研究与应用。这导致当应用高熵合金涂层于工具件中时， 经常由于涂层本身的高硬度及高内部应力，使得工具件与涂层彼此的韧性不 仅，同时容易对接触涂层的其他工具件造成磨损，进而降低设备或产品的使 用寿命。
有鉴于上述问题，根据本申请的一个方面，本申请实施例提供了一种复 合涂层，该复合涂层包括：在基材上形成高熵合金涂层及碳化钨层，其中高 熵合金涂层包含通式AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金。
图1是根据本申请一些实施例的复合涂层的结构示意图。
如图1所示，复合涂层200设置于基材100的表面上，复合涂层200包 括：高熵合金涂层201及碳化钨层202，其中碳化钨层202设置于高熵合金 涂层201的表面上。
基材100可以是本领域中任何合适的材料。在一些实施例中，基材100 为硬质合金。本领域技术人员可以根据实际需要设置复合涂层200以覆盖基 材100的部分表面或全部表面。
高熵合金涂层201包含通式AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金。在一些实 例中，高熵合金涂层201由通式AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金组成。在一 些实施例中，高熵合金涂层201是通过多弧离子镀技术和磁控溅射技术相结 合的方法在基材100或其他涂层表面上设置。在一些实施例中，高熵合金涂 层201设置于基材100上，其中高熵合金涂层201与基材100直接接触。由 于采用含有Cu的高熵合金能够有效的提高涂层的硬度以及材料强韧性，本 申请的高熵合金涂层的强韧性比值远高于现有的氮化高熵合金。此外，本申 请的高熵合金涂层能够有效降低高熵合金涂层201与基材100之间的应力。 在一些实施例中，高熵合金中Cu的摩尔含量为10％至25％。
在本文中，术语“强韧性”或“强韧性比值”是用于表示材料强韧性的 指标，其中该指标为通过材料的硬度H及约化弹性模量E的以下关系表示： H3/E2，即硬度的立方与约化弹性模量的平方的比值，该数值越大，代表材 料的强韧性越好。
在一些实施例中，高熵合金层的厚度大致为，例如，约500nm、约600 nm、约700nm、约800nm、约900nm、约1000nm或这些数值中任意两者 组成的范围。在一些实施例中，高熵合金层的厚度为500nm至1000nm。 在一些实施例中，高熵合金层的厚度为750nm至850nm。
碳化钨层202由碳化钨WC所组成。在一些实施例中，碳化钨层202 通过磁控溅射的方式沉积于高熵合金涂层201的表面上，以形成软质的碳化 钨层。碳化钨层具有极高的自润滑性能，同时由于钨元素熔点高，使得生成 的碳化钨层具有细腻致密的特性，当与其他工具件摩擦时，碳化钨层能够分 解形成的碳膜以充当工具件与高熵合金层之间的润滑剂，其与高熵合金层结 合设置能极大的缓解复合涂层与其他工具件之间的磨损。同时，碳化钨与AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金具有极佳的结合力，碳化钨与AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金之间的应力分布极为平均，因此，碳化钨层 与高熵合金层构成的复合涂层具有极佳的结构稳定性，复合涂层在运作时能 够有效减少涂层的剥离或脱落，并具有极佳的使用寿命。
在一些实施例中，碳化钨层的厚度大致为，例如，约200nm、约300nm、 约400nm、约500nm、约600nm、约700nm、约800nm或这些数值中任 意两者组成的范围。在一些实施例中，碳化钨层的厚度为200nm至800nm。 在一些实施例中，碳化钨层的厚度为300nm至500nm。
图2是根据本申请一些实施例的复合涂层的结构示意图。
如图2所示，在一些实施例中，复合涂层200能够进一步包含冶金层 203，该冶金层203设置于基材100的表面与所述高熵合金涂层201之间。 在一些实施例中，冶金层通过多弧离子镀的方式设置于基材的表面上。冶金 层可以是本领域中合适的金属合金。在一些实施例中，冶金层203包含钛合 金。在一些实施例中，冶金层203由钛金属组成。冶金层203能够有效的与 基材100表面结合形成冶金结合，以优化复合涂层200与基材100的结合力， 牢固钉扎。在一些实施例中，冶金层203能够进一步优化基材100与高熵合 金层201之间的应力分布，以提高复合涂层200的强韧性。
在一些实施例中，冶金层的厚度大致为，例如，约10nm、约25nm、 约50nm、约100nm、约200nm、约250nm、约500nm或这些数值中任意 两者组成的范围。在一些实施例中，冶金层的厚度为10nm至500nm。
图3是根据本申请一些实施例的复合涂层的结构示意图。
如图3所示，在一些实施例中，该复合涂层200进一步包含：过渡金属 陶瓷层204，该过渡金属陶瓷层204设置于冶金层203与高熵合金涂层201 之间。过渡金属陶瓷层可以包含本领域中任何合适的过渡金属陶瓷材料。在 一些实施例中，过渡金属陶瓷层包含通式AlSiCrTiN所表达的过渡金属陶瓷。 在一些实施例中，过渡金属陶瓷层所选的靶材成分为Al含量为10％至30％； Si含量为1％至15％；Cr含量为15％至35％；Ti含量为15％至35％。
过渡金属陶瓷层204能够很好地承接冶金层203和高熵合金层201的硬 度。同时，采用掺杂硅元素的过渡金属陶瓷材料作为金属陶瓷层，可生成纳 米复合非晶结构，这种结构的好处在于晶粒晶界之间互相制约，难以长大， 不仅可提高复合涂层的强韧性，还可提高复合涂层的高温耐受性。在一些实 施例中，过渡金属陶瓷层204的硬度高于冶金层203的硬度，且过渡金属陶 瓷层204的硬度小于高熵合金涂层201的硬度，形成硬度梯度结构，以优化 复合涂层的内部应力分布。
在一些实施例中，过渡金属陶瓷层的厚度大致为，例如，约800nm、约 900nm、约1000nm、约1100nm、约1200nm或这些数值中任意两者组成 的范围。在一些实施例中，过渡金属陶瓷层的厚度为800nm至1200nm。
根据本申请的另一个方向，本申请的一些实施例提供了一种工具件，工 具件的表面上设置了本申请实施例中所述的复合涂层。
本申请实施例的工具件没有特别限定，其可以是用于现有技术中已知的 任何工具件。在一些实施例中，工具件可以包括，但不限于，模头、齿轮元 件、切割刀件。
根据本申请的另一个方向，本申请一些实施例提供了制备上述复合涂层 的方法，具体流程如下：
(1)采用多弧离子镀工艺于基材的待镀表面上沉积冶金层，其中镀 膜温度为450℃至550℃，镀膜环境在Ar气体环境下，气压为0.2Pa至1Pa， 偏压强度为1000V至1500V，时长为5min至15min。在一些实施例中，冶 金层镀膜的靶材为钛靶。
(2)采用多弧离子镀工艺于冶金层或待镀基材的表面上沉积过渡 金属陶瓷层，其中镀膜温度为450℃至550℃，镀膜环境在氮气气体环境下， 气压为2Pa至4Pa，偏压强度为40V至200V，时长为30min至60min。在 一些实施例中，过渡金属陶瓷层镀膜的靶材为AlSiCrTi靶，其中Al含量在 20％至50％，Si含量在0.5％至5％，Cr含量在10％至30％。
(3)采用多弧离子镀工艺于过渡金属陶瓷层、冶金层或待镀基材的 表面上沉积高熵合金涂层，其中高熵合金涂层镀膜的靶材为AlSiCrCuTiZr靶，镀膜温度为450℃至550℃，镀膜环境在氮气气体环境下，气压为1Pa 至3Pa，偏压强度为100V至300V，时长为60min至100min。
(4)采用磁控溅射工艺于高熵合金涂层的表面上沉积碳化钨层，其 中为钨靶，镀膜温度为450℃至550℃，镀膜环境在C2H2及Ar气体环境下， 气压为0.2Pa至3.5Pa，溅射功率为2KW至4KW，偏压强度为30V至200V， 时长为20min至50min。
应理解，根据本申请的上述实施例揭示，在不违背本申请的精神下，本 领域技术人员可以基于不同复合涂层结构选择及调整各个功能涂层的制备 步骤。举例而言，本领域技术人员能够选择采用步骤(3)及(4)在待镀基 材表面上形成包含高熵合金涂层及碳化钨层的复合涂层。
以下结合本申请的一些更优选实施例对本申请的复合涂层的制备方式 作进一步说明。
实施例1
靶材准备：纯度为99.99％的AlSiCrCuTiZr靶，其中Cu含量为20％； 纯度为99.99％的W靶
基体准备：选用尺寸为25*25*6mm硬质合金基体，抛光后分别使用丙 酮，酒精以及去离子水超声清洗线中清洗10min去除表面残留的油渍和抛光 蜡，然后将清洗好后的样品安装在真空炉的转架中，设置转架速度为3rpm。
镀膜流程：将真空炉抽真空至真空度为1*10-5Pa以下，并升温至550℃， 保温1h后，开启气体阀门通入氮气，调整炉内气压至1Pa，开启AlSiCrCuTiZr靶，设置靶材电流为180A，基体偏压为200V，涂层沉积时间为80min，获 得厚度为800nm的高熵合金涂层；继续关闭氮气，打开C2H2和Ar流量计， 调整气体压力为1.2Pa，设置溅射功率为3KW，基体偏压为70V，沉积时间 为20min，获得厚度为200nm的碳化钨层。待镀膜完毕、冷却后，获得总厚 度为2100nm的复合涂层。
实施例2
靶材准备：纯度为99.99％的钛靶，纯度为99.99％的AlSiCrTi靶，纯度 为99.99％的AlSiCrCuTiZr靶，其中Cu含量为20％；纯度为99.99％的W靶
基体准备：选用尺寸为25*25*6mm硬质合金基体，抛光后分别使用丙 酮，酒精以及去离子水超声清洗线中清洗10min去除表面残留的油渍和抛光 蜡，然后将清洗好后的样品安装在真空炉的转架中，设置转架速度为3rpm。
镀膜流程：将真空炉抽真空至真空度为1*10-5Pa以下，并升温至550℃， 通入Ar至真空度为0.7Pa，开启钛靶，设置靶材电流为150A，基体偏压1200V， 涂层沉积时间为5min，以形成厚度为80nm的冶金层。随后，调整炉内气压 至3Pa，开启AlSiCrCuTiZr靶，设置靶材电流为180A，基体偏压为300V， 涂层沉积时间为80min，获得厚度为600nm的高熵合金涂层；继续关闭氮气， 打开C2H2和Ar流量计，调整气体压力为3.5Pa，设置溅射功率为4KW，基 体偏压为100V，沉积时间为20min，获得厚度为300nm的碳化钨层。待镀 膜完毕、冷却后，获得总厚度为1880nm的复合涂层。
实施例3
靶材准备：纯度为99.99％的钛靶，纯度为99.99％的AlSiCrTi靶，纯度 为99.99％的AlSiCrCuTiZr靶，其中Cu含量为20％；纯度为99.99％的W靶
基体准备：选用尺寸为25*25*6mm硬质合金基体，抛光后分别使用丙 酮，酒精以及去离子水超声清洗线中清洗10min去除表面残留的油渍和抛光 蜡，然后将清洗好后的样品安装在真空炉的转架中，设置转架速度为3rpm。
镀膜流程：将真空炉抽真空至真空度为1*10-5Pa以下，并升温至550℃， 通入Ar至真空度为0.7Pa，开启钛靶，设置靶材电流为150A，基体偏压1200V， 涂层沉积时间为5min，以形成厚度为80nm的冶金层。随后，关闭Ar气流 量阀并打开氮气气流量阀，调整气体压力为4Pa，开启AlSiCrTi靶，其中设 置靶材电流为120A，沉积偏压为120V，沉积时间40min，获得厚度为900nm 的过渡金属陶瓷层。随后，调整炉内气压至3Pa，开启AlSiCrCuTiZr靶，设置靶材电流为180A，基体偏压为300V，涂层沉积时间为80min，获得厚度 为600nm的高熵合金涂层；继续关闭氮气，打开C2H2和Ar流量计，调整 气体压力为3.5Pa，设置溅射功率为4KW，基体偏压为100V，沉积时间为 20min，获得厚度为300nm的碳化钨层。待镀膜完毕、冷却后，获得总厚度 为1880nm的复合涂层。
实施例4
靶材准备：纯度为99.99％的AlSiCrCuTiZr靶，其中Cu含量为40％； 纯度为99.99％的W靶
基体准备：选用尺寸为25*25*6mm硬质合金基体，抛光后分别使用丙 酮，酒精以及去离子水超声清洗线中清洗10min去除表面残留的油渍和抛光 蜡，然后将清洗好后的样品安装在真空炉的转架中，设置转架速度为3rpm。
镀膜流程：将真空炉抽真空至真空度为1*10-5Pa以下，并升温至550℃， 保温1h后，开启气体阀门通入氮气，调整炉内气压至1Pa，开启AlSiCrCuTiZr靶，设置靶材电流为180A，基体偏压为200V，涂层沉积时间为80min，获 得厚度为800nm的高熵合金涂层；继续关闭氮气，打开C2H2和Ar流量计， 调整气体压力为1.2Pa，设置溅射功率为3KW，基体偏压为70V，沉积时间 为20min，获得厚度为200nm的碳化钨层。待镀膜完毕、冷却后，获得总厚 度为2100nm的复合涂层。
对比例1
靶材准备：纯度为99.99％的AlSiCrTi靶，其中所述靶材成分为Al为 30％，Si为5％；Cr为35％；Ti为30％。
基体准备：选用尺寸为25*25*6mm硬质合金基体，抛光后分别使用丙 酮，酒精以及去离子水超声清洗线中清洗10min去除表面残留的油渍和抛光 蜡，然后将清洗好后的样品安装在真空炉的转架中，设置转架速度为3rpm。
镀膜流程：将真空炉抽真空至真空度为1*10-5Pa以下，并升温至550℃， 打开氮气气流量阀，调整气体压力为4Pa，开启AlSiCrTi靶，其中设置靶材 电流为120A，沉积偏压为120V，沉积时间40min，获得厚度为900nm的金 属陶瓷涂层。
对比例2
靶材准备：纯度为99.99％的AlSiCrCuTiZr靶，其中Cu含量为20％； 基体准备：选用尺寸为25*25*6mm硬质合金基体，抛光后分别使用丙酮， 酒精以及去离子水超声清洗线中清洗10min去除表面残留的油渍和抛光蜡， 然后将清洗好后的样品安装在真空炉的转架中，设置转架速度为3rpm。
镀膜流程：将真空炉抽真空至真空度为1*10-5Pa以下，并升温至550℃， 保温1h后，开启气体阀门通入氮气，调整炉内气压至1Pa，开启AlSiCrCuTiZr 靶，设置靶材电流为180A，基体偏压为200V，涂层沉积时间为80min，获 得厚度为800nm的高熵合金涂层。
为进一步说明本申请复合涂层的有益效果，本申请上述实施例与对比例 进行了膜-基结合力测试、硬度测试、约化弹性模量测试、表面摩擦系数测 试，
膜-基结合力测试采用Anton Paar公司的scratch testing设备进行，测试 设置数据为加载力值为100mN，加载速率为5N/s。硬度测试和约化弹性模 量测试是通过FISCHERSCORPE的纳米压痕设备所获得，设置力值为10mN。 表面摩擦系数测试是采用销盘式摩擦磨损试验机获得。
其测试结果如下表所示：
Figure BDA0003558295990000111
如上表所示，本申请实施例提供的复合涂层能够达到42GPa以上的表 面硬度，相较于现有技术的涂层，本申请实施例提供的复合涂层具有良好的 强韧性，这表示本申请的复合涂层与基材的结构更为稳定，且应力分布更为 均匀。本申请实施例提供的复合涂层具有良好的结构稳定性及硬度表现，其 能够提供良好的。
图4为本申请实施例1的复合涂层与钢球摩擦后的表面摩擦系数曲线图。
如图4所示，本申请的复合涂层在于钢球进行摩擦后，依然能够保持较 低的表面摩擦系数，这是因为本申请的复合涂层具有极佳的自润滑性能，在 长时间与其他材料摩擦后依然能够确保表面的润滑性能，以在维持极高的表 面强度的同时，降低对其他材料表面的磨损。本申请具有复合涂层的工具件 具有优异的强韧性表现及润滑性，能够提升工具件的使用寿命及运作效能
上文说明摘要整理出数个实施例的特征，这使得所属技术领域中具有通 常知识者能够更加理解本申请的多种方面。所属技术领域中具有通常知识者 可轻易地使用本申请作为基础，以设计或修改其他组合物，以便实现与此处 申请的实施例相同的目的及/或达到相同的优点。所属技术领域中具有通常 知识者亦可理解，这些均等的实例并未悖离本申请的精神与范畴，且其可对 本申请进行各种改变、替换与修改，而不会悖离本申请的精神与范畴。虽然 本文中所揭示的方法已参考以具体次序执行的具体操作加以描述，但应理解， 可在不脱离本申请的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等 效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序及分组不是对本申请 的限制。

Claims (10)

1.一种复合涂层，其特征在于，其包括：
高熵合金涂层，所述高熵合金涂层包含通式AlSiCrCuTiZrN表达的高熵合金；及
碳化钨层，其设置于所述高熵合金涂层的表面上。
2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述高熵合金涂层由所述高熵合金组成。
3.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述高熵合金中Cu的摩尔含量为10％至25％。
4.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述高熵合金层的厚度为500nm至1000nm。
5.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述碳化钨层的厚度为200nm至800nm。
6.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，其进一步包含：
冶金层，所述冶金层设置于涂覆基材的表面与所述高熵合金涂层之间，所述冶金层包含钛合金。
7.根据权利要求6所述的复合涂层，其特征在于，其进一步包含：
过渡金属陶瓷层，所述过渡金属陶瓷层设置于所述冶金层与所述高熵合金涂层之间，所述过渡金属陶瓷层包含通式AlSiCrTiN所表达的过渡金属陶瓷。
8.根据权利要求6所述的复合涂层，其特征在于，所述冶金层的厚度为10nm至500nm。
9.根据权利要求7所述的复合涂层，其特征在于，所述过渡金属陶瓷层的厚度为800nm至1200nm。
10.一种的工具件，其特征在于，所述工具件的表面上设置据权利要求1至9中任一权利要求所述的复合涂层。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115572945A (zh) * 2022-09-09 2023-01-06 纳狮新材料有限公司 复合涂层及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108411272A (zh) * 2018-05-30 2018-08-17 上海电机学院 一种轴承用AlCrCuFeNi系高熵合金涂层的制备方法
CN109338300A (zh) * 2018-11-23 2019-02-15 西安工业大学 一种高熵合金氮化物涂层的高硬度材料及其制备方法
CN111485209A (zh) * 2020-04-09 2020-08-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 高熵合金/wc硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用
CN113025966A (zh) * 2021-02-26 2021-06-25 赵中里 一种提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108411272A (zh) * 2018-05-30 2018-08-17 上海电机学院 一种轴承用AlCrCuFeNi系高熵合金涂层的制备方法
CN109338300A (zh) * 2018-11-23 2019-02-15 西安工业大学 一种高熵合金氮化物涂层的高硬度材料及其制备方法
CN111485209A (zh) * 2020-04-09 2020-08-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 高熵合金/wc硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用
CN113025966A (zh) * 2021-02-26 2021-06-25 赵中里 一种提高热锻模具寿命的Zr基高熵合金涂层及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
宋鹏芳等: "激光熔覆制备高熵合金涂层研究进展：强化机理与性能", 《青岛理工大学学报》/激光熔覆制备高熵合金涂层研究进展：强化机理与性能, vol. 41, no. 4, pages 106 - 114 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115572945A (zh) * 2022-09-09 2023-01-06 纳狮新材料有限公司 复合涂层及其制备方法

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