CN115074677B - CrWZrN多层梯度结构涂层及其制备方法 - Google Patents

CrWZrN多层梯度结构涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CrWZrN多层梯度结构涂层及其制备方法。所述CrWZrN多层梯度结构涂层包括：基底；以及依次沉积在所述基底表面的Cr打底层、CrN过渡层、CrWN过渡层和CrWZrN涂层。本发明在CrWZrN多层梯度结构涂层中引入了W、Zr、Cr和N元素，进一步提高了材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性，并使得基体和涂层间保持合理的多层硬度梯度，在合理控制内应力的同时还提升了基体和涂层的结合强度。

Description

CrWZrN多层梯度结构涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于金属表面涂层技术领域，具体而言，本发明涉及一种CrWZrN多层梯度结构涂层及其制备方法。
背景技术
金属基陶瓷具有高熔点、高硬度、高化学温度性等优点，常见的材料有氧化铝、碳化钛、碳化硅、氮化硼等，将其制成涂层覆盖在基体上可显著提高基体硬度、降低基体腐蚀速率。但随着工业的飞速发展，零部件的服役工况也愈发复杂多变，使用单一组分涂层的金属零部件无法在更加苛刻的使用环境下有效服役，多组分复合涂层已成为必然的发展方向。
钛合金因其比重轻、比强度高而大量使用在航空航天领域，但高速、高温等发展方向对钛合金的涂层工艺提出更高要求。为了进一步提升钛合金表面涂层的耐磨性、耐腐蚀性和基膜结合强度，提出了本发明。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种CrWZrN多层梯度结构涂层及其制备方法。本发明在CrWZrN多层梯度结构涂层中引入了W、Zr、Cr和N元素，进一步提高了材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性，并使得基体和涂层间保持合理的多层硬度梯度，在合理控制内应力的同时还提升了基体和涂层的结合强度。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种CrWZrN多层梯度结构涂层，根据本发明的实施例，所述多层梯度结构涂层包括：
基底；
以及依次沉积在所述基底表面的Cr打底层、CrN过渡层、CrWN过渡层和CrWZrN涂层。
根据本发明实施例的CrWZrN多层梯度结构涂层，该CrWZrN多层梯度结构涂层引入了W、Zr、Cr和N元素，进一步提高了材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性；并使得基体和涂层间保持合理的多层硬度梯度，合理控制内应力的同时提升基体和涂层的结合强度，且涂层的多层梯度过渡结构能够促进晶粒细化，更多的晶界使得位错要克服更大的晶界能，从而抑制了位错的攀移，纳米晶体表现出的尺寸效应(Koehler效应)也提升了涂层的耐腐蚀性能和耐摩擦性能。具体地，该CrWZrN多层梯度结构涂层具有极高的表面硬度(高达3300Hv左右)；该CrWZrN多层梯度结构涂层使材料在球盘式标准摩擦实验无润滑油工况下的摩擦系数降低了30％左右，减摩效果明显，磨损形式从黏着磨损和疲劳磨损转变为磨粒磨损，磨痕宽度减少了70％左右，耐磨性能大幅提升；该CrWZrN多层梯度结构涂层使材料在海水中的自腐蚀电位降低了30％左右，耐腐蚀性能大幅提升。
需要解释的是，涂层硬度的提高一方面由于W元素、Zr元素的加入，使得协调应变量增加，而界面协调应变所引起的应力场阻碍了位错的运动，晶粒尺寸和表面粗糙度值随之减少，形成了更致密和更细密的结构，从而使涂层硬度升高；另一方面，通入的N2，使W、Zr与N充分反应，有利于氮化物的生成，使涂层硬度升高。同时，Zr元素与W元素晶格膨胀系数相近，晶格匹配较好，结构致密，进一步提升了涂层质量。
另外，根据本发明上述实施例的CrWZrN多层梯度结构涂层还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述Cr打底层的厚度为0.3-0.8μm，所述CrN过渡层的厚度为0.5-2μm，所述CrWN过渡层的厚度为1.8-4μm。
在本发明的一些实施例中，所述CrWZrN涂层的厚度为2.5-6μm。
在本发明的一些实施例中，所述基底的材料为钛基金属或铁基金属。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备上述CrWZrN多层梯度结构涂层的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)将基底置于多弧离子镀膜机中，惰性氛围下进行离子轰击；
(2)惰性氛围下开启Cr靶弧源，在所述基底表面沉积Cr打底层；
(3)在惰性气体和氮气的混合氛围下开启Cr靶弧源，沉积一段时间，关闭惰性气体，氮气氛围下继续沉积，以便在所述Cr打底层的表面沉积CrN过渡层；
(4)氮气氛围下，开启含有Cr和W元素的靶弧源，以便在所述CrN过渡层的表面沉积CrWN过渡层；
(5)氮气氛围下，开启含有Cr、W和Zr元素的靶弧源，以便在所述CrWN过渡层的表面沉积CrWZrN涂层。
根据本发明实施例的制备CrWZrN多层梯度结构涂层的方法，该方法采用多弧离子镀技术在金属基底表面沉积多组分过渡金属氮化物涂层，引入W、Zr、Cr元素，并将N2作为反应气体，制得多层梯度结构涂层，进一步提高了材料的耐磨性和耐腐蚀性；并使得基体和涂层间保持合理的硬度梯度，合理控制内应力的同时提升基体和涂层的结合强度，且涂层的多层梯度过渡结构能够促进晶粒细化更多的晶界使得位错要克服更大的晶界能，从而抑制了位错的攀移，纳米晶体表现出的尺寸效应(Koehler效应)也提升了涂层的耐腐蚀性能和耐摩擦性能。具体地，该方法在金属基底表面制备的CrWZrN多层梯度结构涂层具有极高的表面硬度(高达3300Hv左右)；该方法在金属基底表面制备的CrWZrN多层梯度结构涂层使材料在球盘式标准摩擦实验无润滑油工况下的摩擦系数降低了30％左右，减摩效果明显，磨损形式从黏着磨损和疲劳磨损转变为磨粒磨损，磨痕宽度减少了70％左右，耐磨性能大幅提升；该方法在金属基底表面制备的CrWZrN多层梯度结构涂层使材料在海水中的自腐蚀电位降低了30％左右，耐腐蚀性能大幅提升。
另外，根据本发明上述实施例的制备CrWZrN多层梯度结构涂层的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述Cr靶弧源为纯度不低于99％的Cr单质靶，所述Zr靶弧源为纯度不低于99％的Zr单质靶。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)-(5)的温度各自独立地保持在200-450℃。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，惰性氛围的气压为(1-2)×10-1Pa，靶弧电流为80-120A，基体负偏压为300-600V，占空比为70-75％，沉积时间为5-10min。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，靶弧电流为80-120A，基体负偏压为200-250V，占空比为65-70％。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，混合氛围中的氮气和惰性气体的体积流量比为(2-6):1，混合氛围的气压为(3-5)×10-1Pa，混合氛围下沉积4-6min。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，氮气氛围的气压为(8-12)×10-1Pa，氮气氛围下沉积15-30min。
在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，氮气氛围的气压为(8-12)×10-1Pa，靶电流为80-120A，基体负偏压为80-100V，占空比为60-65％，沉积时间为15-30min。
在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，氮气氛围的气压为(8-12)×10-1Pa，靶电流为80-120A，基体负偏压为80-100V，占空比为50-60％，沉积时间为30-90min。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是CrWZrN多层梯度结构涂层的结构示意图；
图2是实施例1制得的CrWZrN多层梯度结构涂层的金相图；
图3是实施例1制得的CrWZrN多层梯度结构涂层的XRD图；
图4a是实施例1制得的CrWZrN多层梯度结构涂层在电化学海水腐蚀下的极化曲线图；
图4b是实施例1制得的CrWZrN多层梯度结构涂层在电化学海水腐蚀下的阻抗谱图；
图5是实施例2制得的CrWZrN多层梯度结构涂层的干摩擦摩擦系数曲线图；
图6是实施例2制得的CrWZrN多层梯度结构涂层的磨痕形貌图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的第一个方面，本发明提出了一种CrWZrN多层梯度结构涂层，参考图1，所述CrWZrN多层梯度结构涂层包括基底1；以及依次沉积在所述基底1表面的Cr打底层2、CrN过渡层3、CrWN过渡层4和CrWZrN涂层5。由此，该CrWZrN多层梯度结构涂层引入了W、Zr、Cr和N元素，进一步提高了材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性；并使得基体和涂层间保持合理的多层硬度梯度，合理控制内应力的同时提升基体和涂层的结合强度，且涂层的多层梯度过渡结构能够促进晶粒细化，更多的晶界使得位错要克服更大的晶界能，从而抑制了位错的攀移，纳米晶体表现出的尺寸效应(Koehler效应)也提升了涂层的耐腐蚀性能和耐摩擦性能。具体地，该CrWZrN多层梯度结构涂层具有极高的表面硬度(高达3300Hv左右)；该CrWZrN多层梯度结构涂层使材料在球盘式标准摩擦实验无润滑油工况下的摩擦系数降低了30％左右，减摩效果明显，磨损形式从黏着磨损和疲劳磨损转变为磨粒磨损，磨痕宽度减少了70％左右，耐磨性能大幅提升；该CrWZrN多层梯度结构涂层使材料在海水中的自腐蚀电位降低了30％左右，耐腐蚀性能大幅提升。
需要解释的是，涂层硬度的提高一方面由于W元素、Zr元素的加入，使得协调应变量增加，而界面协调应变所引起的应力场阻碍了位错的运动，晶粒尺寸和表面粗糙度值随之减少，形成了更致密和更细密的结构，从而使涂层硬度升高；另一方面，通入的N2，使W、Zr与N充分反应，有利于氮化物的生成，使涂层硬度升高。同时，Zr元素与W元素晶格膨胀系数相近，晶格匹配较好，结构致密，进一步提升了涂层质量。
根据本发明的一个具体实施例，所述Cr打底层的厚度为0.3-0.8μm(例如0.3/0.4/0.5/0.6/0.7/0.8μm)，所述CrN过渡层的厚度为0.5-2μm(例如0.5/0.8/1/1.2/1.5/1.8/2μm)，所述CrWN过渡层的厚度为1.8-4μm(例如1.8/2/2.5/3/3.5/4μm)，所述CrWZrN涂层的厚度为2.5-6μm(例如2.5/3/3.5/4/4.5/5/5.5/6μm)，由此，将上述各层的厚度限定在上述范围内，既能对基底起到预期的保护作用，又能保证涂层不出现裂纹、脱落等缺陷。发明人发现，如果Cr打底层的厚度过小，会造成基底与涂层性能差异过大，涂层结合力差，如果Cr打底层的厚度过大，会造成涂层塌陷；如果CrN过渡层的厚度过小，会造成CrN过渡层分别与Cr层、CrWN层结合力差，造成涂层间易开裂，如果CrN过渡层的厚度过大，会造成柱状晶过度生长，从而导致产生裂纹等缺陷；如果CrWN过渡层的厚度过小，会造成CrWN过渡层分别与CrN层、WCrZrCN层结合力差，造成涂层间易开裂，如果CrWN过渡层的厚度过大，会造成柱状晶过度生长，从而导致产生裂纹等缺陷，且容易出现难熔的金属大颗粒夹杂在CrWN层与WCrZrN层间导致涂层脱落；如果CrWZrN涂层的厚度过小，会造成涂层耐磨性不够，涂层容易被磨穿，损伤基底，如果CrWZrN涂层的厚度过大，会造成涂层因为内应力过大而开裂。
在本发明的实施例中，上述基底的材料并不受特别限制，只要是金属材料即可，也就是说，上述CrWZrN多层梯度结构涂层适用于各种金属材料，作为一些具体示例，所述基底的材料为钛基金属或铁基金属，例如钛合金。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种CrWZrN多层梯度结构涂层的制备方法，根据本发明的一个实施例，包括如下步骤：
S100：将基底置于多弧离子镀膜机中，惰性氛围下进行离子轰击
在该步骤中，将基底置于多弧离子镀膜机中，惰性氛围下进行离子轰击，以便去除基底中残留的有机物、氧化物或其他杂质。
在本发明的实施例中，该步骤的具体过程和具体参数并不受特别限制，只要能达到上述目的即可，作为一个具体示例，将基底试样装炉后，调整试样架转速为2-5rpm，沉积室温度加热到200-450℃，抽真空至小于4×10-3Pa后，通入惰性气体，基体负偏压500-700V，进行离子轰击10-20min。
根据本发明的再一个具体实施例，上述基底在置于多弧离子镀膜机中前，需要先进行预处理，以便为后续涂层提供一个平整光滑的附着面。进一步地，预处理的具体过程为：对金属基底进行粗磨、精磨、粗抛光、精抛光后，依次采用丙酮和无水乙醇进行超声清洗。
S200：惰性氛围下开启Cr靶弧源，在所述基底表面沉积Cr打底层
根据本发明的又一个具体实施例，在该步骤中，惰性氛围的气压为(1-2)×10-1Pa，靶弧电流为80-120A，基体负偏压为300-600V，占空比为70-75％，沉积时间为5-10min，由此，在上述条件下，Cr打底层沉积速度较快，且与基底之间有较好的结合力。
S300：在惰性气体和氮气的混合氛围下开启Cr靶弧源，沉积一段时间，关闭惰性气体，氮气氛围下继续沉积，以便在所述Cr打底层的表面沉积CrN过渡层
在该步骤中，在惰性气体和氮气的混合氛围下开启Cr靶弧源，沉积一段时间，以便在所述Cr打底层的表面沉积第一CrN过渡层，关闭惰性气体，氮气氛围下继续沉积，以便在所述第一CrN过渡层的表面沉积第二CrN过渡层。第一CrN过渡层和第二CrN过渡层的主要成分均为CrN、Cr2N，两者的比例受Cr、N元素比例影响，在第一CrN过渡层中，由于存在惰性气体，氮气比例相对低，因此Cr2N组成比例相对第二CrN过渡层更高，第二CrN过渡层中，气氛中为纯氮气，因此CrN比例更高，此双CrN过渡层设计保证了元素和组分的平顺过渡，有助于提升CrN过渡层与Cr打底层之间的结合力，同时避免了气体突变导致的引弧困难。
根据本发明的又一个具体实施例，在该步骤中，靶弧电流为80-120A，基体负偏压为200-250V，占空比为65-70％，由此，在上述条件下，可以在保证CrN过渡层与Cr打底层之间的结合力的前提下较快地沉积涂层。
根据本发明的又一个具体实施例，混合氛围中的氮气和惰性气体的体积流量比为(2-6):1，混合氛围的气压为(3-5)×10-1Pa，混合氛围下沉积4-6min，由此形成0.1-0.4μm的第一CrN过渡层。
根据本发明的又一个具体实施例，氮气氛围的气压为(8-12)×10-1Pa，氮气氛围下沉积15-30min，由此形成0.4-1.6μm的第二CrN过渡层。
S400：氮气氛围下，开启含有Cr和W元素的靶弧源，以便在所述CrN过渡层的表面沉积CrWN过渡层
在该步骤中，氮气氛围下，开启含有Cr和W元素的靶弧源，以便在所述CrN过渡层的表面沉积CrWN过渡层，CrWN过渡层的主要成分包括CrN、Cr2N和WN。
根据本发明的又一个具体实施例，在该步骤中，氮气氛围的气压为(8-12)×10- 1Pa，靶电流为80-120A，基体负偏压为80-100V，占空比为60-65％，沉积时间为15-30min，由此，在上述条件下，气体离化率高，腔体中等离子体密度高，沉积速率相对缓慢，由此沉积的CrWN过渡层的致密度更高。
S500：氮气氛围下，开启含有Cr、W和Zr元素的靶弧源，以便在所述CrWN过渡层的表面沉积CrWZrN涂层
在该步骤中，氮气氛围下，开启含有Cr、W和Zr元素的靶弧源，以便在所述CrWN过渡层的表面沉积CrWZrN涂层，CrWZrN涂层的主要成分包括CrN、Cr2N、WN和ZrN。
根据本发明的又一个具体实施例，在该步骤中，氮气氛围的气压为(8-12)×10- 1Pa，靶电流为80-120A，基体负偏压为80-100V，占空比为50-60％，沉积时间为30-90min，由此，在上述条件下，制备的最外层涂层结构致密，结合力好，表面平整，厚度适中。
进一步地，上述方法还包括：
S600：沉积结束后关闭氮气，关闭弧源靶电源，继续保持真空状态，等待炉内冷却至室温，取出试样，即得CrWZrN多层梯度结构涂层。
在本发明的实施例中，所述Cr靶弧源为纯度不低于99％的Cr单质靶，所述Zr靶弧源为纯度不低于99％的Zr单质靶，所述CrW靶弧源为Cr和W的合金靶，所述Cr和W的质量比为(15:85)-(85:15)。在本发明的实施例中，上述惰性气体的种类并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意选择，优选氩气。
在本发明的实施例中，步骤S100-S500的温度各自独立地保持在200-450℃。
在本发明的实施例中，关于多弧离子镀膜机的结构以及使用方法的具体内容属于本领域的常规技术，在此不再赘述。
根据本发明实施例的制备CrWZrN多层梯度结构涂层的方法，该方法采用多弧离子镀技术在金属基底表面沉积多组分过渡金属氮化物涂层，引入W、Zr、Cr元素，并将N2作为反应气体，制得多层梯度结构涂层，进一步提高了材料的耐磨性和耐腐蚀性；并使得基体和涂层间保持合理的硬度梯度，合理控制内应力的同时提升基体和涂层的结合强度，且涂层的多层梯度过渡结构能够促进晶粒细化，更多的晶界使得位错要克服更大的晶界能，从而抑制了位错的攀移，纳米晶体表现出的尺寸效应(Koehler效应))也提升了涂层的耐腐蚀性能和耐摩擦性能。具体地，该方法在金属基底表面制备的CrWZrN多层梯度结构涂层具有极高的表面硬度(高达3300Hv左右)；该方法在金属基底表面制备的CrWZrN多层梯度结构涂层使材料在球盘式标准摩擦实验无润滑油工况下的摩擦系数降低了30％左右，减摩效果明显，磨损形式从黏着磨损和疲劳磨损转变为磨粒磨损，磨痕宽度减少了70％左右，耐磨性能大幅提升；该方法在金属基底表面制备的CrWZrN多层梯度结构涂层使材料在海水中的自腐蚀电位降低了30％左右，耐腐蚀性能大幅提升。
本发明所用的制备、表征以及测量仪器如下：AMT-4411型多弧离子镀膜系统，深圳奥美特科技有限公司；NHT2型纳米压痕测试仪，瑞士CSM公司；JEOL-3010型高分辨透射电子显微镜，日本电子株式会社；JSM7610F型扫描电子显微镜，日本电子株式会社；CS310电化学工作站，武汉科思特仪器有限公司；UMT-5摩擦磨损试验机，德国布鲁克/Bruker。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供一种CrWZrN多层梯度结构涂层的制备方法，其包括如下步骤：
(1)试样处理：将钛合金材料经砂纸经粗磨、精磨、粗抛光、精抛光后，依次用丙酮和无水乙醇进行超声清洗。
(2)设备准备：采用多弧离子镀膜机，选用靶材为3个纯度为99.99％的Cr单质靶、3个纯度为99.99％的Zr单质靶、3个CrW(Cr和W的质量比为15:85)合金靶；工作气体为纯度99.99％的氩气，纯度99.99％的氮气；将经步骤(1)处理后的试样装炉后，调整试样架转速为4rpm，沉积室温度加热到240℃，抽真空到小于4×10-3Pa后，通入氩气，基体负偏压500V，进行离子轰击15min。
(3)沉积Cr打底层：通入氩气，维持氩气气压为1×10-1Pa；开启三个Cr靶弧源，靶弧电流80A；基体负偏压300V，占空比保持70％；镀制Cr打底层，沉积时间5min，Cr打底层的厚度大概为0.3μm。
(4)沉积CrN过渡层：通入氮气，氮气与氩气的体积流量比为4:1，维持气压在3×10-1Pa；保持三个Cr靶弧源开启，靶电流维持在80A；改变基体负偏压为200V，改变占空比为65％；4min后关闭氩气，维持氮气气压8×10-1Pa；镀制CrN过渡层，沉积时间15min，CrN过渡层的厚度大概为1μm。
(5)沉积CrWN过渡层：保持氮气通入，维持气压8×10-1Pa，关闭三个Cr靶弧源，开启三个CrW靶弧源，靶电流维持在80A，降低基体负偏压至80V，改变占空比为60％，镀制CrWN过渡层，沉积时间15min，CrWN过渡层的厚度大概为2μm。
(6)沉积CrWZrN涂层：保持氮气流量不变，气压维持在8×10-1Pa，保持三个CrW靶弧源开启，开启三个Zr靶弧源、三个Cr靶弧源，靶电流维持在80A，改变基体负偏压至80V，改变占空比为50％，沉积CrWZrN膜层，沉积时间60min，CrWZrN涂层的厚度大概为4.2μm。
(7)沉积结束后关闭氮气，关闭弧源靶电源，继续保持真空状态，等待炉内冷却至室温，取出试样，即得CrWZrN多层梯度结构涂层。
对实施例1制备的样品做截面金相观测，得到图2所示形貌。分别对实施例1制备的涂层样品以及未处理的钛合金的表面分别做X射线衍射测试，测试结果如图3所示，从图3中可以看出实施例1的涂层样品主要由ZrN、Cr2N、WN等物质组成(如图3所示)；分别对实施例1制备的涂层样品以及未处理的钛合金进行电化学腐蚀实验，实验结果如图4所示，图4a为极化曲线图，图4b为阻抗谱图，从图4中可以看出，实施例1的CrWZrN涂层样品比未处理的钛合金样品腐蚀电位更低，阻抗更大，即耐蚀性更好。
实施例2
本实施例提供一种CrWZrN多层梯度结构涂层的制备方法，其包括如下步骤：
(1)试样处理：将钛合金材料经砂纸经粗磨、精磨、粗抛光、精抛光后，依次用丙酮和无水乙醇进行超声清洗。
(2)设备准备：采用多弧离子镀膜机，选用靶材为3个纯度为99.99％的Cr单质靶、3个纯度为99.99％的Zr单质靶、3个CrW(Cr和W的质量比为15:85)合金靶；工作气体为纯度99.99％的氩气，纯度99.99％的氮气；将经步骤(1)处理后的试样装炉后，调整试样架转速为4rpm，沉积室温度加热到300℃，抽真空到小于4×10-3Pa后，通入氩气，基体负偏压700V，进行离子轰击20min。
(3)沉积Cr打底层：通入氩气，维持氩气气压为2×10-1Pa；开启三个Cr靶弧源，靶弧电流120A；基体负偏压400V，占空比保持75％；镀制Cr打底层，沉积时间5min，Cr打底层的厚度大概为0.3μm。
(4)沉积CrN过渡层：通入氮气，氮气和氩气的体积流量比为4:1，维持气压在5×10-1Pa；保持三个Cr靶弧源开启，靶电流维持在120A；改变基体负偏压为250V，改变占空比为70％。6min后关闭氩气，维持氮气气压1Pa；镀制CrN过渡层，沉积时间30min，CrN过渡层的厚度大概为1.2μm。
(5)沉积CrWN过渡层：保持氮气通入，维持气压1Pa，关闭三个Cr靶弧源，开启三个CrW靶弧源，靶电流维持在120A，降低基体负偏压至100V，改变占空比为65％，镀制CrWN过渡层，沉积时间30min，CrWN过渡层的厚度大概为2.5μm。
(6)沉积CrWZrN涂层：保持氮气流量不变，气压维持在1Pa，保持三个CrW靶开启弧源开启，开启三个Zr靶弧源、三个Cr靶弧源，靶电流维持在120A，改变基体负偏压至100V，改变占空比为60％，沉积CrWZrN膜层，沉积时间90min，CrWZrN涂层的厚度大概为4.5μm。
(7)沉积结束后关闭氮气，关闭弧源靶电源，继续保持真空状态，等待炉内冷却至室温，取出试样，即得CrWZrN多层梯度结构涂层。
分别对实施例2制备的涂层样品以及未处理的钛合金做球盘式标准摩擦实验，未添加润滑油条件下，以直径4mm的Al2O3陶瓷球为对磨面，施加10N载荷进行20分钟摩擦试验，图5显示的是干摩擦摩擦系数曲线图，图6显示的是磨痕形貌图，其中图6a是钛合金样品摩擦前的形貌图，图6b是实施例2的涂层样品摩擦前的形貌图，图6c是钛合金样品摩擦后的形貌图，图6d是实施例2的涂层样品摩擦后的形貌图。从图5和图6中可以看出，实施例2的涂层样品的摩擦系数相比于未处理样品有大幅度降低，未处理样品的磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损，而覆有CrWZrN多层梯度结构涂层的样品为磨粒磨损，磨痕宽度降低了70％左右。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种CrWZrN多层梯度结构涂层，其特征在于，包括：
基底；
以及依次沉积在所述基底表面的Cr打底层、CrN过渡层、CrWN过渡层和CrWZrN涂层；
所述Cr打底层的厚度为0.3-0.8μm，所述CrN过渡层的厚度为0.5-2μm，所述CrWN过渡层的厚度为1.8-4μm；所述CrWZrN涂层的厚度为2.5-6μm；
所述基底的材料为钛基金属或铁基金属。
2.一种制备权利要求1所述的CrWZrN多层梯度结构涂层的方法，其特征在于，包括：
（1）将基底置于多弧离子镀膜机中，惰性氛围下进行离子轰击；
（2）惰性氛围下开启Cr靶弧源，在所述基底表面沉积Cr打底层；
（3）在惰性气体和氮气的混合氛围下开启Cr靶弧源，沉积一段时间，关闭惰性气体，氮气氛围下继续沉积，以便在所述Cr打底层的表面沉积CrN过渡层；
（4）氮气氛围下，开启含有Cr和W元素的靶弧源，以便在所述CrN过渡层的表面沉积CrWN过渡层；
（5）氮气氛围下，开启含有Cr、W和Zr元素的靶弧源，以便在所述CrWN过渡层的表面沉积CrWZrN涂层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Cr靶弧源为纯度不低于99%的Cr单质靶，含有Zr元素的靶弧源为纯度不低于99%的Zr单质靶。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）-（5）的温度各自独立地保持在200-450℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，惰性氛围的气压为(1-2)×10-1Pa，靶弧电流为80-120A，基体负偏压为300-600V，占空比为70-75%，沉积时间为5-10min。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，靶弧电流为80-120A，基体负偏压为200-250V，占空比为65-70%。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，混合氛围中的氮气和惰性气体的体积流量比为(2-6):1，混合氛围的气压为(3-5)×10-1Pa，混合氛围下沉积4-6min。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，氮气氛围的气压为(8-12)×10-1Pa，氮气氛围下沉积15-30min。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤（4）中，氮气氛围的气压为(8-12)×10-1Pa，靶电流为80-120A，基体负偏压为80-100V，占空比为60-65%，沉积时间为15-30min。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤（5）中，氮气氛围的气压为(8-12)×10-1Pa，靶电流为80-120A，基体负偏压为80-100V，占空比为50-60%，沉积时间为30-90min。
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