CN116136015A - 一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层；属于涂层制备技术领域；其步骤包括：采用中频磁控溅射法进行溅射；溅射前对基体进行预处理；预热磁控溅射腔室，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射AlTiN层与氮化硼层，得到AlTiN基纳米复合涂层，其中AlTiN层与氮化硼层的膜厚比为1.5‑2.5:1。本发明制得的AlTiN基纳米复合涂层具有较好的润滑效应、较高的硬度与较低的残余应力，进而克服传统CNB涂层应力大而无法制备厚膜的瓶颈；同时，该AlTiN基纳米复合涂层具有较好的高温抗氧化性能以及导电性能。
Description
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层。
背景技术
TiN涂层本身具有优良的性能和较低的制造成本，是目前使用最广泛的氮化物涂层之一，但TiN在较高的温度下（＞550℃），化学稳定性变差，容易氧化成疏松结构的TiO2导致力学性能下降。在TiN涂层中添加Al元素，形成AlTiN涂层，其硬度、耐磨性和抗氧化等性能均得到了明显提高；AlTiN涂层为Al原子固溶于fcc-TiN相中的三元固溶体，Al固溶于TiN相中取代Ti原子的位置，产生晶格畸变，引入部分应力，起到固溶强化的效果；由于AlTiN涂层在高温退火时较为稳定，具有良好的红硬性以及抗氧化温度，比较适合应用于高速干式切削，从而被广泛的研究和应用。除此之外，AlTiN涂层被广泛应用在工装模具等应用领域，但是面对铝合金，不锈钢等粘黏性强的工件材料时，往往黏着磨损和因化学亲和产生的冷焊作用明显，严重影响了工件的质量和使用寿命。
目前解决上述问题比较常见的做法是：（1）在涂层表面添加润滑层如TiCN、MoN等润滑层形成复合涂层；（2）添加微量元素V、Mo等降低涂层的摩擦系数；（3）用碳膜系DLC涂层降低摩擦系数；但是也存在一些问题，如在涂层表面添加润滑层如TiCN、MoN等润滑层形成复合涂层这种方法首先TiCN针对铝合金效果不佳，且使用温度范围低，400℃下TiCN失效；添加微量元素V、Mo等降低涂层的摩擦系数难以达到理想效果，难以大规模应用，DLC在350℃失效分解，使用范围窄。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供了一种摩擦系数较低，具有较好润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其具有较高的硬度与较低的残余应力，进而克服传统CNB涂层应力大而无法制备厚膜的瓶颈；同时，该AlTiN基纳米复合涂层具有较好的高温抗氧化性能以及导电性能。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
本发明公开了一种AlTiN基纳米复合涂层，其包括AlTiN层与氮化硼层，其中AlTiN层与氮化硼层互相交替沉积；
其中，每一个交替单元中，所述AlTiN层的单层膜厚与氮化硼层的单层膜厚比为1.5-2.5:1。
本发明采用ALTiN和BN涂层纳米叠层，且有特定的膜厚比例，得到摩擦系数较低的纳米复合涂层，具有较好的润滑效应，从而有效改善因黏着磨损和因化学亲和产生的冷焊作用以影响工件的质量和使用寿命的问题；同时，该AlTiN基纳米复合涂层具有较高的硬度与较低的残余应力，可能是由于内部结构致密、缺陷较少，进而克服传统CNB涂层应力大而无法制备厚膜的瓶颈；除此之外，该AlTiN基纳米复合涂层具有较好的高温抗氧化性能以及导电性能。
作为本发明的一个优化方案，AlTiN基纳米复合涂层中AlTiN层作为底层；所述氮化硼层作为顶层。
作为本发明的一个优化方案，氮化硼层中包括六方氮化硼与立方氮化硼。
进一步地，作为本发明的一个优化方案，六方氮化硼与立方氮化硼的重量比为1-3:1。
作为本发明的一个优化方案，AlTiN层的单层膜厚为30-250nm。
进一步地，作为本发明的一个优化方案，AlTiN层的单层膜厚为50-200nm。
进一步地，作为本发明的一个优化方案，AlTiN层与氮化硼层交替沉积的交替单元的数量为1-80个。
作为本发明的一个优化方案，AlTiN基纳米复合涂层还包括Cu2Mo6S6Se2层。本发明在AlTiN层与氮化硼层交替溅射后，再在氮化硼层表面镀覆Cu2Mo6S6Se2层，制得AlTiN基纳米复合涂层，其使AlTiN基纳米复合涂层的润滑效果得到了进一步的提高，同时提高了AlTiN基纳米复合涂层的力学性能，降低了AlTiN基纳米复合涂层的残余应力，使其具有较好的导电性能。
进一步地，作为本发明的一个优化方案，Cu2Mo6S6Se2层设置于氮化硼层上。
作为本发明的一个优化方案，AlTiN层、氮化硼层与Cu2Mo6S6Se2层的单层膜厚比为1.5-2.5:1:0.2-0.6。
本发明还公开了一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，包括：
溅射前对基体进行预处理；
采用中频磁控溅射法进行溅射，预热磁控溅射腔室，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射AlTiN层与氮化硼层，得到AlTiN基纳米复合涂层。
作为本发明的一个优化方案，AlTiN层溅射参数为：溅射气压0.3-1Pa，工作气体为氮气，镀膜温度为350-450℃，镀膜偏压为30-200V。
进一步地，作为本发明的一个优化方案，AlTiN层溅射参数中溅射气压0.3-1Pa，优选0.6-1Pa。
进一步地，作为本发明的一个优化方案，AlTiN层溅射参数中镀膜温度为350-450℃，优选400-450℃。
进一步地，作为本发明的一个优化方案，AlTiN层溅射参数中镀膜偏压为30-200V，优选60-90V。
作为本发明的一个优化方案，氮化硼层溅射参数为：溅射气压0.5-1Pa，工作气体为氩气和氮气，氩气和氮气流量比1-3:1，镀膜温度为350-450℃，镀膜偏压为80-150V。
作为本发明的一个优化方案，预热磁控溅射腔室的温度为130-160℃。
本发明还公开了一种AlTiN基纳米复合涂层在不锈钢和/或铝合金中的用途。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
（1）本发明采用ALTiN和BN涂层纳米叠层，且有特定的膜厚比例，得到摩擦系数较低的纳米复合涂层，具有较好的润滑效应，从而有效改善因黏着磨损和因化学亲和产生的冷焊作用以影响工件的质量和使用寿命的问题。
（2）本发明制得的AlTiN基纳米复合涂层具有较高的硬度与较低的残余应力，可能是由于内部结构致密、缺陷较少，进而克服传统CNB涂层应力大而无法制备厚膜的瓶颈；除此之外，该AlTiN基纳米复合涂层具有较好的高温抗氧化性能以及导电性能。
因此，本发明是一种摩擦系数较低，具有较好润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其具有较高的硬度与较低的残余应力，进而克服传统CNB涂层应力大而无法制备厚膜的瓶颈；同时，该AlTiN基纳米复合涂层具有较好的高温抗氧化性能以及导电性能。
附图说明
图1为Cu2Mo6S6Se2材料的XRD谱图；
图2为实施例1中AlTiN基纳米复合涂层的SEM图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明还公开了Cu2Mo6S6Se2材料的制备方法，包括：
将原料一水合硫化铜、二硫化钼、金属钼和硒按比例加入坩埚中，然后加入熔盐，混合均匀，研磨，将坩埚置于真空管式炉中，在纯氩气保护气氛下，以2-5℃/min的升温速率从室温升温至250-350℃，保温1-3h，再以3-6℃/min的升温速率升温至850-1100℃，保温48-72h，随炉冷却至室温，将产物与去离子水混合均匀，超声振荡1-3h，过滤，以除去熔盐，最后置于75-90℃烘箱中真空干燥18-24h，得到Cu2Mo6S6Se2材料。
需要说明的是，在Cu2Mo6S6Se2材料的制备方法中，总原料与熔盐的重量比为1:1-2。
需要说明的是，在Cu2Mo6S6Se2材料的制备方法中，熔盐为氟化钾、氯化钾、硝酸钾中的至少一种。
本发明在AlTiN基纳米复合涂层的制备方法中，溅射AlTiN层时，采用AlTi靶材，工作气体为氮气，溅射气压0.3-1Pa，镀膜温度为350-450℃，镀膜偏压为30-200V，其中AlTiN层的膜厚为30-250nm；优选50-200nm；更优选100nm。
本发明在AlTiN基纳米复合涂层的制备方法中，溅射氮化硼层时，采用HBN靶材，溅射气压为0.5-1Pa，工作气体为氩气和氮气，氩气和氮气流量比1-3:1，镀膜温度为350-450℃，镀膜偏压为80-150V。
本发明在AlTiN基纳米复合涂层的制备方法中，溅射靶材与基体的距离为120-160mm。
本发明溅射前对基体进行预处理，即依次用丙酮、无水乙醇超声清洗5-20min，再用氮气吹干。
本发明还公开在氮化硼层表面溅射Cu2Mo6S6Se2层的技术方案，溅射Cu2Mo6S6Se2层时，采用Cu2Mo6S6Se2材料作为靶材，工作气体为氩气，溅射气压为1-3Pa，镀膜温度为350-450℃，镀膜偏压为80-150V。
以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：
实施例1：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，包括：
采用中频磁控溅射法进行溅射，采用PVD1012型中频磁控溅射设备；
溅射前，将基体依次用丙酮、无水乙醇超声清洗10min，再用氮气吹干，得到预处理后的基体；
预热磁控溅射腔室的温度为140℃，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射AlTiN层与氮化硼层，载物架转速为4r/min；首先溅射AlTiN层，采用AlTi（Al/Ti的重量比为35/65）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为0.6Pa，镀膜温度为400℃，镀膜偏压为80V，其中AlTiN层的膜厚为100nm，将其作为底层；然后溅射氮化硼层，采用HBN（纯度为99.9%）靶材，溅射气压为0.6Pa，工作气体为氩气和氮气，氩气和氮气流量比1:1，镀膜温度为420℃，镀膜偏压100V，其中氮化硼层中六方氮化硼与立方氮化硼的重量比为1:1，将其作为顶层，得到AlTiN基纳米复合涂层，其中AlTiN层与氮化硼层的单层膜厚比为2:1。
实施例2：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例1不同的是：预热磁控溅射腔室的温度为140℃，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射AlTiN层与氮化硼层；首先溅射AlTiN层，采用AlTi（Al/Ti的重量比为35/65）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为1.0 Pa，镀膜温度为450℃，镀膜偏压为90V，其中AlTiN层的膜厚为85nm，将其作为底层。
其他步骤与实施例1相同。
实施例3：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例1不同的是：溅射氮化硼层时，采用HBN（纯度为99.9%）靶材，溅射气压为0.8Pa，工作气体为氩气和氮气，氩气和氮气流量比1:1，镀膜温度为390℃，镀膜偏压为120V，其中氮化硼层中六方氮化硼与立方氮化硼的重量比为1:1，将其作为顶层。
其他步骤与实施例1相同。
实施例4：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例1不同的是：AlTiN基纳米复合涂层中AlTiN层与氮化硼层的单层膜厚比为2.5:1。
其他步骤与实施例1相同。
实施例5：
Cu2Mo6S6Se2材料的制备方法，包括：
将原料一水合硫化铜、二硫化钼、金属钼和硒按摩尔比2:2:4:2加入石英坩埚中，然后加入氯化钾，混合均匀，其中总原料与熔盐的重量比为1:1，研磨，将坩埚置于真空管式炉中，在纯氩气（纯度为99.9%）保护气氛下，以2.5℃/min的升温速率从室温升温至300℃，保温2h，再以4.5℃/min的升温速率升温至1000℃，保温55h，随炉冷却至室温，将产物与去离子水混合均匀，超声振荡1h，过滤，以除去熔盐，最后置于85℃烘箱中真空干燥24h，得到Cu2Mo6S6Se2材料。
实施例6：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例1不同的是：
预热磁控溅射腔室的温度为140℃，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射AlTiN层与氮化硼层，载物架转速为4r/min；首先溅射AlTiN层，采用AlTi（Al/Ti的重量比为35/65）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为0.6 Pa，镀膜温度为400℃，镀膜偏压为80V，其中AlTiN层的膜厚为85nm，将其作为底层；然后溅射氮化硼层，采用HBN靶材，溅射气压为0.6Pa，工作气体为氩气和氮气，氩气和氮气流量比1:1，镀膜为420℃，镀膜偏压100V，其中氮化硼层中六方氮化硼与立方氮化硼的重量比为1:1；再溅射Cu2Mo6S6Se2层，采用Cu2Mo6S6Se2材料作为靶材，工作气体为氩气，溅射气压为1Pa，镀膜温度为400℃，镀膜偏压为100V，得到AlTiN基纳米复合涂层，其中AlTiN层、氮化硼层与Cu2Mo6S6Se2层的单层膜厚比为2:1:0.4。
其他步骤与实施例1相同。
实施例7：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例6不同的是：溅射Cu2Mo6S6Se2层，采用Cu2Mo6S6Se2材料作为靶材，工作气体为氩气，溅射气压为1.5Pa，镀膜温度为450℃，镀膜偏压为80V，得到AlTiN基纳米复合涂层，其中AlTiN层、氮化硼层与Cu2Mo6S6Se2层的单层膜厚比为2:1:0.6。
其他步骤与实施例6相同。
实施例8：
本发明的另一优化方案为：将TiGeN层作为底层；其中溅射TiGeN层时，采用TiGe（Ti/Ge的重量比为60/40）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为0.5-1.5Pa，镀膜温度为350-450℃，镀膜偏压为50-150V，AlTiN层、氮化硼层与TiGeN层的单层膜厚比为1.5-2.5:1:0.3-0.5。
本发明将TiGeN层作为底层，在TiGeN层表面交替溅射ALTiN和BN涂层纳米叠层制得AlTiN基纳米复合涂层，提高了纳米复合涂层的硬度，降低了AlTiN基纳米复合涂层的残余应力；同时提高了AlTiN基纳米复合涂层的导电性能。
具体地，一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例1不同的是：
预热磁控溅射腔室的温度为140℃，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射AlTiN层与氮化硼层，载物架转速为4r/min；首先溅射TiGeN层，采用TiGe（Ti/Ge的重量比为60/40）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为0.8Pa，镀膜温度为380℃，镀膜偏压为60V，将其作为底层；然后溅射AlTiN层，采用AlTi（Al/Ti的重量比为35/65）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为0.6Pa，镀膜温度为400℃，镀膜偏压为80V，其中AlTiN层的膜厚为85nm；再溅射氮化硼层，采用HBN（纯度为99.9%）靶材，溅射气压为0.6Pa，工作气体为氩气和氮气，氩气和氮气流量比1:1，镀膜温度为420℃，镀膜偏压为100V，其中氮化硼层中六方氮化硼与立方氮化硼的重量比为1:1，将其作为顶层，得到AlTiN基纳米复合涂层，其中AlTiN层、氮化硼层与TiGeN层的单层膜厚比为2:1:0.3。
其他步骤与实施例1相同。
实施例9：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例8不同的是：AlTiN基纳米复合涂层中AlTiN层、氮化硼层与TiGeN层的单层膜厚比为2:1:0.5。
其他步骤与实施例8相同。
实施例10：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例1不同的是：
预热磁控溅射腔室的温度为140℃，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射AlTiN层与氮化硼层，载物架转速为4r/min；首先溅射TiGeN层，采用TiGe（Ti/Ge的重量比为60/40）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为0.8Pa，镀膜温度为380℃，镀膜偏压为60V，将其作为底层；然后溅射AlTiN层，采用AlTi（Al/Ti的重量比为35/65）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为0.6Pa，镀膜温度为400℃，镀膜偏压为80V，其中AlTiN层的膜厚为85nm；再溅射氮化硼层，采用HBN（纯度为99.9%）靶材，溅射气压为0.6Pa，工作气体为氩气和氮气，氩气和氮气流量比1:1，镀膜温度为420℃，镀膜偏压为100V，其中氮化硼层中六方氮化硼与立方氮化硼的重量比为1:1；最后溅射Cu2Mo6S6Se2层，采用Cu2Mo6S6Se2材料作为靶材，工作气体为氩气，溅射气压为1Pa，镀膜温度为400℃，镀膜偏压为100V，将其作为顶层，得到AlTiN基纳米复合涂层，其中AlTiN层、氮化硼层、TiGeN层与Cu2Mo6S6Se2层的单层膜厚比为2:1:0.3:0.4。
其他步骤与实施例1相同。
实施例11：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，包括：
采用中频磁控溅射法进行溅射，采用PVD1012型中频磁控溅射设备；
溅射前，将基体依次用丙酮、无水乙醇超声清洗10min，再用氮气吹干，得到预处理后的基体；
预热磁控溅射腔室的温度为140℃，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射AlTiN层与氮化硼层，溅射交替单元为2个，载物架转速为4r/min；首先溅射AlTiN层，采用AlTi（Al/Ti的重量比为35/65）靶材，工作气体为氮气，溅射气压为0.6Pa，镀膜温度为400℃，镀膜偏压为80V，其中AlTiN层的膜厚为100nm，将其作为底层；然后溅射氮化硼层，采用HBN（纯度为99.9%）靶材，溅射气压为0.6Pa，工作气体为氩气和氮气，氩气和氮气流量比1:1，镀膜温度为420℃，镀膜偏压100V，其中氮化硼层中六方氮化硼与立方氮化硼的重量比为1:1；重复上述步骤溅射AlTiN层，再重复上述步骤溅射氮化硼层，得到AlTiN基纳米复合涂层，其中AlTiN层与氮化硼层的单层膜厚比为2:1。
对比例1：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例1不同的是：将氮化硼层替换为CrN层；溅射CrN层时，采用Cr靶材，溅射气压为0.6Pa，工作气体为氮气，镀膜温度为420℃，镀膜偏压为100V，将其作为顶层，得到AlTiN基纳米复合涂层，其中AlTiN层与CrN层的膜厚比为2:1。
其他步骤与实施例1相同。
对比例2：
一种AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，与实施例1不同的是：AlTiN基纳米复合涂层中AlTiN层与氮化硼层的膜厚比为3:1。
【试验测试】
一、 Cu2Mo6S6Se2材料晶体结构测试
采用X 射线衍射仪（XRD，Xpert PRO）分析材料的晶体结构。
图1为Cu2Mo6S6Se2材料的XRD谱图；由图1可以看出，根据点阵参数，属于六面体空间群，得到的匹配度最高的物质结构是Cu2Mo6S6Se2。
二、AlTiN基纳米复合涂层表面形貌测试
采用扫描电子显微镜对AlTiN基纳米复合涂层的表面形貌进行观察。
图2为实施例1中AlTiN基纳米复合涂层的SEM图；由图2可以看出，纳米复合涂层表面结构致密，未出现明显孔洞与裂纹，且涂层分布均匀。
三、AlTiN基纳米复合涂层的性能研究
本发明采用SS304不锈钢作为基体，在SS304不锈钢表面溅射AlTiN基纳米复合涂层，进行各项性能测试。
Ⅰ. 润滑性能测试
实验前，将涂层试样用丙酮超声清洗10min，吹干，采用直径为5mm的氧化铝小球作为磨球，法向载荷为5N，在摩擦试验机上进行旋转式摩擦，磨痕轨道半径分别为2mm、5mm，转速为180r/min，实验时间为40min，每个试样不同半径重复测试3次。
表1 AlTiN基纳米复合涂层的摩擦系数
由表1可以看出，实施例1-4中AlTiN基纳米复合涂层的摩擦系数低于0.15；对比实施例1与对比例1、对比例2，实施例1中AlTiN基纳米复合涂层的摩擦系数低于对比例1、对比例2，这表明本发明采用ALTiN和BN涂层纳米叠层，且有特定的膜厚比例，得到摩擦系数较低的纳米复合涂层，具有较好的润滑效应，从而有效改善因黏着磨损和因化学亲和产生的冷焊作用以影响工件的质量和使用寿命的问题；实施例6-7、实施例10中AlTiN基纳米复合涂层的摩擦系数低于0.7，低于实施例1，这表明在氮化硼层表面镀覆Cu2Mo6S6Se2层，其使AlTiN基纳米复合涂层的润滑效果得到了进一步的提高。
Ⅱ. 硬度测试
用 HX-1000 显微硬度计测量涂层的显微硬度，载荷50g；平行测试5组，求平均值。
表2 AlTiN基纳米复合涂层的硬度
由表2可以看出，实施例1-4中AlTiN基纳米复合涂层的硬度高于3100Hv；对比实施例1与对比例1、对比例2，实施例1中AlTiN基纳米复合涂层的硬度高于对比例1、对比例2，这表明本发明采用ALTiN和BN涂层纳米叠层，且有特定的膜厚比例，得到硬度较高的纳米复合涂层；实施例6-7中AlTiN基纳米复合涂层的硬度高于3300Hv，高于实施例1，这表明在AlTiN层与氮化硼层交替溅射后，再在氮化硼层表面镀覆Cu2Mo6S6Se2层，制得AlTiN基纳米复合涂层，其提高了AlTiN基纳米复合涂层的力学性能；实施例8-9中AlTiN基纳米复合涂层的硬度高于3250Hv，高于实施例1，这表明将TiGeN层作为底层，在TiGeN层表面交替溅射ALTiN和BN涂层纳米叠层制得AlTiN基纳米复合涂层，提高了纳米复合涂层的硬度。
同时，实施例10中AlTiN基纳米复合涂层的硬度高于3350Hv，高于实施例1、实施例8，这表明将TiGeN层作为底层，在TiGeN层表面交替溅射ALTiN和BN涂层纳米叠层，再在氮化硼层表面镀覆Cu2Mo6S6Se2层，制得AlTiN基纳米复合涂层，其明显提高了AlTiN基纳米复合涂层的硬度，使其具有优良的力学性能。
Ⅲ. 残余应力测试
采用SuPro FST-150薄膜应力仪对试样涂层进行检测，通过镀膜前后的曲率半径与涂层的厚度计算出涂层的残余应力，平行5组实验，取平均值。
表3 AlTiN基纳米复合涂层的残余应力
由表3可以看出，实施例1-4中AlTiN基纳米复合涂层的残余应力低于0.95GPa；对比实施例1与对比例1、对比例2，实施例1中AlTiN基纳米复合涂层的残余应力低于对比例1、对比例2，这表明本发明采用ALTiN和BN涂层纳米叠层，且有特定的膜厚比例，可能得到内部结构致密、缺陷较少的AlTiN基纳米复合涂层，进而降低纳米复合涂层的残余应力，克服传统CNB涂层应力大而无法制备厚膜的瓶颈；实施例6-7中AlTiN基纳米复合涂层的残余应力低于0.65GPa，低于实施例1，这表明在AlTiN层与氮化硼层交替溅射后，再在氮化硼层表面镀覆Cu2Mo6S6Se2层，制得AlTiN基纳米复合涂层，其降低了AlTiN基纳米复合涂层的残余应力。
由表3还可以看出，实施例8-9中AlTiN基纳米复合涂层的残余应力低于0.95GPa，低于实施例1，这表明将TiGeN层作为底层，在TiGeN层表面交替溅射ALTiN和BN涂层纳米叠层制得AlTiN基纳米复合涂层，降低了纳米复合涂层的残余应力；同时，实施例10中AlTiN基纳米复合涂层的残余应力低于0.55GPa，低于实施例1、实施例8，这表明将TiGeN层作为底层，在TiGeN层表面交替溅射ALTiN和BN涂层纳米叠层，再在氮化硼层表面镀覆Cu2Mo6S6Se2层，制得AlTiN基纳米复合涂层，其进一步降低了AlTiN基纳米复合涂层的残余应力。
Ⅳ. 高温抗氧化性能测试
将测试试样放入高温炉中，空气气氛下，先以5℃/min的升温速率从室温升至850℃，保温2h，随炉冷却至室温，然后采用扫描电子显微镜观察并分析涂层的氧化层厚度。
表4 AlTiN基纳米复合涂层的氧化层厚度
由表4可以看出，实施例1-4中AlTiN基纳米复合涂层的氧化层厚度低于0.8μm；实施例1中AlTiN基纳米复合涂层的残余应力低于对比例1、对比例2，这表明本发明采用ALTiN和BN涂层纳米叠层，且有特定的膜厚比例，制得AlTiN基纳米复合涂层，使其具有较高的高温抗氧化性能；实施例8-9中AlTiN基纳米复合涂层的氧化层厚度低于0.7μm，低于实施例1，这表明将TiGeN层作为底层，在TiGeN层表面交替溅射ALTiN和BN涂层纳米叠层制得AlTiN基纳米复合涂层，提高了纳米复合涂层的高温抗氧化性能。
Ⅴ. 导电性能测试
将测试试样采用环氧树脂加固化剂进行封样后进行电化学测试。电化学测试采用三电极体系，其中，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，工作电极为纳米复合涂层材料；在压力为50N/cm下测试试样的界面接触电阻（ICR，衡量双极板导电性的一个指标）。将未镀覆纳米复合涂层的SS304不锈钢基体作为空白对照组。
表5 AlTiN基纳米复合涂层的导电性能
由表5可以看出，实施例1-4中AlTiN基纳米复合涂层的界面接触电阻低于12mΩ·cm-2；实施例1中AlTiN基纳米复合涂层的界面接触电阻低于对比例1、对比例2，远低于空白对照组，这表明本发明采用ALTiN和BN涂层纳米叠层，且有特定的膜厚比例，制得导电性能较好的AlTiN基纳米复合涂层；实施例6-7中AlTiN基纳米复合涂层的界面接触电阻低于6.5mΩ·cm-2，低于实施例1，这表明在AlTiN层与氮化硼层交替溅射后，再在氮化硼层表面镀覆Cu2Mo6S6Se2层，制得AlTiN基纳米复合涂层，其提高了AlTiN基纳米复合涂层的导电性能。
由表5还可以看出，实施例8-9中AlTiN基纳米复合涂层的界面接触电阻低于7.5mΩ·cm-2，低于实施例1，这表明将TiGeN层作为底层，在TiGeN层表面交替溅射ALTiN和BN涂层纳米叠层制得AlTiN基纳米复合涂层，也改善了纳米复合涂层的导电性能；同时，实施例10中AlTiN基纳米复合涂层的界面接触电阻低于4mΩ·cm-2，低于实施例1、实施例8，这表明将TiGeN层作为底层，在TiGeN层表面交替溅射ALTiN和BN涂层纳米叠层，再在氮化硼层表面镀覆Cu2Mo6S6Se2层，制得AlTiN基纳米复合涂层，其明显提高了AlTiN基纳米复合涂层的导电性能。
本发明的操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其包括AlTiN层与氮化硼层，其中，所述AlTiN层与氮化硼层互相交替沉积；
其中，每一个交替单元中，所述AlTiN层的单层膜厚与氮化硼层的单层膜厚比为1.5-2.5:1；
所述AlTiN基纳米复合涂层中AlTiN层作为底层；所述氮化硼层作为顶层。
2.根据权利要求1所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其特征是：所述氮化硼层中包括六方氮化硼与立方氮化硼。
3.根据权利要求2所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其特征是：所述六方氮化硼与立方氮化硼的重量比为1-3:1。
4.根据权利要求1所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其特征是：所述AlTiN层的单层膜厚为30-250nm。
5.根据权利要求4所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其特征是：所述AlTiN层的单层膜厚为50-200nm。
6.根据权利要求1所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其特征是：所述AlTiN基纳米复合涂层还包括Cu2Mo6S6Se2层。
7.根据权利要求6所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其特征是：所述Cu2Mo6S6Se2层设置于所述氮化硼层上。
8.根据权利要求7所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层，其特征是：所述AlTiN层、氮化硼层与Cu2Mo6S6Se2层的单层膜厚比为1.5-2.5:1:0.2-0.6。
9.权利要求1所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，包括：
溅射前对基体进行预处理；
采用中频磁控溅射法进行溅射，预热磁控溅射腔室，向磁控溅射腔室内通入工作气体；打开中频电源向预处理后的基体表面交替溅射所述AlTiN层与所述氮化硼层，得到AlTiN基纳米复合涂层。
10.根据权利要求9所述的一种具有润滑效应的AlTiN基纳米复合涂层的制备方法，其特征是：所述氮化硼层溅射参数为：溅射气压0.5-1Pa；所述工作气体为氩气和氮气，其中氩气和氮气流量比1-3:1，镀膜温度为350-450℃，镀膜偏压为80-150V。
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