一种仿生结构立方氮化硼涂层及其制备方法技术

本发明专利技术适用于真空镀膜技术领域，提供了一种仿生结构立方氮化硼涂层及其制备方法。所述仿生结构立方氮化硼涂层涂覆在基底上，所述仿生结构立方氮化硼涂层由底部的韧性层和顶部的高硬层构成，所述高硬层为立方氮化硼层，所述韧性层为M2层与M1B

Bionic structure cubic boron nitride coating and preparation method thereof

The invention is suitable for the technical field of vacuum coating, and provides a bionic structure cubic boron nitride coating and a preparation method thereof. The bionic structure of cubic boron nitride coating on the substrate, the bionic structure of cubic boron nitride coating by high hardness and toughness at the bottom layer and the top of the hard layer is a cubic boron nitride layer, the M2 layer and M1B layer toughness

【技术实现步骤摘要】
一种仿生结构立方氮化硼涂层及其制备方法
本专利技术属于真空镀膜
，尤其涉及一种仿生结构立方氮化硼涂层及其制备方法。
技术介绍
立方氮化硼(cBN)具有高的硬度、高温强度、热稳定性及对黑色金属高的化学惰性，是实现淬硬钢、轴承钢、冷硬铸铁、超高强度钢等黑色金属或合金切削加工的首选刀具材料。工业应用最广泛的立方氮化硼刀具大多采用高温高压法制备的聚晶立方氮化硼(PolycrystallineCubicBoronNitride，PCBN)，该方法面临的最大难题是：只能用于制作形状简单、外形规则的刀片，难以加工成钻头、铣刀、丝锥、板牙等具有复杂外形的切削刀具，且高温高压工艺存在设备要求高、能耗大、生产成本高等缺点。气相沉积技术可以轻松实现cBN涂层在复杂刀具表面的沉积，解决复杂外形PCBN刀具制作难的问题。不过目前cBN涂层的应用还存在以下主要障碍：(a)断裂韧性低。cBN具有强的方向性共价键，难以通过位错运动进行塑性变形，只能通过裂纹的萌生与扩展进行应力的释放，在切削加工过程中易发生碎裂失效。(b)结合强度低。气相沉积技术需要高能离子(50-1000eV)轰击来促使cBN形核，但却会在涂层中产生高达5-20GPa残余压应力，涂层厚度达到100nm左右时就会自动剥落。目前有关cBN涂层的研究工作多集中于残余应力的降低，断裂韧性方面的研究工作报道较少。对于提高材料韧性，自然界为我们提供了绝佳的范例，如贝壳的多尺度多层结构：底部为高韧性珍珠层，顶部为高硬度方解石层；其中，珍珠层又是由微米尺度的文石片(直径5-8μm，厚度～0.5μm)和纳米尺度的有机高分子层(20-30nm厚)交替复合而成的“砖墙式”纳米多层结构，每一层的文石片又具有由纳米尺度的文石晶粒(30nm)与有机高分子构成的纳米复合结构。这种独特的多尺度结构使得裂纹不仅在沿垂直于珍珠层表面方向扩展时会受到文石片层与有机高分子层之间“层界面”的偏转作用，而且在沿平行于珍珠层表面方向还会受到文石相与有机高分子相之间“相界面”的偏转作用，实现了裂纹的全方位偏转，使其断裂韧性比大块文石(碳酸钙)高出3000多倍。此外，文石片虽然是脆性材料缺乏塑性变形机制，但可以通过有机高分子材料构成的三维网状结构进行变形来释放涂层应力。因此，仿照贝壳的多尺度结构对cBN涂层进行仿生结构设计，可以为解决cBN涂层的断裂韧性和结合强度问题提供一条有效路径。目前，cBN涂层仿生结构设计方面已经有一些尝试性工作，如Bejarano等人(G.Bejarano,J.M.Caicedo,E.Baca,P.Prieto,A.G.BaloghandS.Enders.DepositionofB4C/BCN/cBNmultilayeredthinfilmsbyr.f.magnetronsputtering.ThinSolidFilms,2006(494):53-57)采用射频(13.56MHz)磁控溅射技术制备具有多层结构的cBN涂层，底部为具有周期性多层结构的B4C/BCN膜层，顶部为cBN膜层；为了提高膜基结合强度，在B4C/BCN膜层与基底之间又施加了TiN过渡层。其中，B4C/BCN膜层采用B4C靶材进行沉积，通过周期性地通入Ar和N2实现B4C和BCN膜层的交替沉积；顶部cBN涂层采用h-BN为靶材进行溅射沉积。测试结果表明，周期性多层结构设计可以明显提高涂层的断裂韧性。在这种周期性多层结构中，当裂纹沿着垂直于涂层表面方向扩展时要通过很多界面，由于界面对裂纹的偏转和钝化作用，会提高扩展阻力，从而使涂层韧性得到提高。但是这种周期性多层结构不足之处在于，当裂纹沿着平行于涂层表面方向扩展时，由于缺乏界面对裂纹的偏转和钝化作用，裂纹易于在此方向快速扩展而使涂层剥落失效。此外，B4C和BCN均属于共价键材料，虽然具有高的硬度可以为cBN层提供足够的力学支撑，但是缺少塑性变形机制，cBN涂层难以通过B4C/BCN层进行有效的应力释放。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种仿生结构立方氮化硼涂层，旨在解决现有的立方氮化硼涂层残余应力高、断裂韧性不足导致的上述一系列问题。本专利技术的另一目的在于提供一种仿生结构立方氮化硼涂层的制备方法。本专利技术是这样实现的，一种仿生结构立方氮化硼涂层，所述仿生结构立方氮化硼涂层涂覆在基底上，所述仿生结构立方氮化硼涂层由底部的韧性层和顶部的高硬层构成，所述高硬层为立方氮化硼层，所述韧性层为M2层与M1Bx:M2掺杂复合层交替沉积形成的多层复合结构，且所述M1Bx:M2掺杂复合层为M2掺杂M1Bx形成的复合层，其中，所述M1、M2为相同或不同的过渡金属，所述x的取值范围为：0.5≤x≤4。以及，一种仿生结构立方氮化硼涂层的制备方法，包括以下步骤：提供一基底；在所述基底上沉积M1Bx:M2掺杂复合层，在所述M1Bx:M2掺杂复合层上沉积M2层；重复所述沉积M1Bx:M2掺杂复合层和M2层的步骤，得到M1Bx:M2掺杂复合层与M2层交替沉积形成的多层复合结构；在所述多层复合结构上沉积立方氮化硼层。本专利技术提供的M1Bx:M2/M2/cBN多层复合仿生结构立方氮化硼涂层，采用过渡金属M2掺杂的过渡金属硼化物M1Bx与过渡金属M2交替沉积构成的多层复合结构。这种多层复合结构不仅在垂直于立方氮化硼涂层表面方向上具有M1Bx:M2膜层与M2膜层的层界面，而且在M1Bx:M2膜层内部还存在着平行于立方氮化硼涂层表面方向的过渡金属硼化物M1Bx相与过渡金属M2相之间的相界面，从而可以对裂纹的扩展起到多维度的偏转和钝化作用，提高立方氮化硼涂层的断裂韧性。其次，过渡金属M2相的存在，可以通过塑性变形机制释放立方氮化硼涂层应力，从而可以降低立方氮化硼涂层的残余应力水平。因此，通过本专利技术提供的仿生结构立方氮化硼涂层结构，不仅可以提高涂层的韧性，还可以降低涂层残余应力，提高涂层的结合强度。本专利技术提供的仿生结构立方氮化硼涂层的制备方法，只需依次沉积各功能层，方法简单；且沉积各功能层时，可以通过靶有效控制，可控程度强。经过本专利技术所述仿生结构立方氮化硼涂层的制备方法获得仿生结构立方氮化硼涂层，残余应力降低、断裂韧性增强。附图说明图1是本专利技术实施例提供的仿生结构立方氮化硼涂层示意图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供了一种仿生结构立方氮化硼涂层，所述仿生结构立方氮化硼涂层涂覆在基底上，所述仿生结构立方氮化硼涂层由底部的韧性层和顶部的高硬层构成，所述高硬层为立方氮化硼层，所述韧性层为M2层与M1Bx:M2掺杂复合层交替沉积形成的多层复合结构，且所述M1Bx:M2掺杂复合层为M2掺杂M1Bx形成的复合层，其中，所述M1、M2为相同或不同的过渡金属，所述x的取值范围为：0.5≤x≤4。本专利技术实施例所述仿生结构立方氮化硼涂层由两大主体层构成，即底部韧性层和顶部高硬层。本专利技术实施例中，所述韧性层和所述高硬层的厚度没有具体限定，可根据涂覆由该涂层的基底性能要求进行具体调整。其中，所述M1Bx:M2掺杂复合层即为过渡金属M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生结构立方氮化硼涂层，所述仿生结构立方氮化硼涂层涂覆在基底上，其特征在于，所述仿生结构立方氮化硼涂层由底部的韧性层和顶部的高硬层构成，所述高硬层为立方氮化硼层，所述韧性层为M2层与M1B

【技术特征摘要】
1.一种仿生结构立方氮化硼涂层，所述仿生结构立方氮化硼涂层涂覆在基底上，其特征在于，所述仿生结构立方氮化硼涂层由底部的韧性层和顶部的高硬层构成，所述高硬层为立方氮化硼层，所述韧性层为M2层与M1Bx:M2掺杂复合层交替沉积形成的多层复合结构，且所述M1Bx:M2掺杂复合层为M2掺杂M1Bx形成的复合层，其中，所述M1、M2为相同或不同的过渡金属，所述x的取值范围为：0.5≤x≤4。2.如权利要求1所述的仿生结构立方氮化硼涂层，其特征在于，在所述韧性层和所述基底之间含有金属G过渡层，所述G为过渡金属，且所述G、M1、M2相同或不同。3.如权利要求1所述的仿生结构立方氮化硼涂层，其特征在于，所述高硬层和韧性层之间含有M1-B-N中间层。4.如权利要求1-3任一所述的仿生结构立方氮化硼涂层，其特征在于，所述M1Bx:M2掺杂复合层中，第一层及最后一层均为M1Bx:M2掺杂复合层。5.如权利要求2所述的仿生结构立方氮化硼涂层，其特征在于，所述M1、M2、G为元素周期表IVB、VB、VI...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，蒋春磊，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44