【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于涂层领域，涉及一种结构涂层，尤其涉及一种纳米结构涂层及其制备方法与应用。
技术介绍
1、随着刀具切削工具技术的发展，人们对刀具的材料与性能提出了越来越高的要求，需要得到同时具备高硬度、高耐磨性、高韧性以及高精度等性能的刀具。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，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、槽型一起密切关系到刀具的使用性能，稳定的涂层能够显著提升切削工具的使用寿命与加工效率。
2、tialn涂层能够提高刀具的切削性能和使用寿命。随着pvd技术的发展，涂层继续从单层向着多层、纳米结构等方向不断深入，具有更高硬度、更强耐磨性、具有特殊纳米结构的纳米复合涂层被人们专利技术且关注。如现有的较为常用的tialmen-tialn纳米多层涂层，其是由具有纳米尺度的如tialmen和tialn等两种不同材料和结构的纳米层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。
3、现有的纳米多层涂层多为单周期，这是指其具有的两种不同材料和/或结构的纳米层之间的厚度和厚度关系在同一涂层中通常为定值。相同成分工艺下，当纳米层厚度较薄时，会给涂层带来更小的纳米尺度晶粒，根据霍尔-佩奇关系，表现出更强的
4、因此，在其它条件相同的情况下，单周期纳米多层涂层的纳米厚度薄和周期短时，涂层在应用中表现为高硬度高耐磨性但结合力不足易剥落。当其纳米厚度厚和周期长时，涂层在应用中表现为结合力好、不易剥落，但硬度和耐磨性有所降低。其在涂层设计与应用上面临着在结构上的纳米层厚度的厚薄与性能上的涂层硬度和结合力之间的取舍问题。
5、因此，如何设计一种纳米结构涂层，使其既能够具有足够薄的纳米厚度层来提供高硬度与高耐磨性，又具有足够少的涂层间界面来提供结合力，是本领域亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种纳米结构涂层及其制备方法与应用，所述纳米结构涂层通过特定的周期性涂层单元，使纳米结构涂层同时具备薄周期的超硬度与厚周期的强韧性，将其应用于切削工具时，能够显著提升切削工具的使用寿命。
2、为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供了一种纳米结构涂层，所述纳米结构涂层包括依次层叠设置的周期性涂层单元；所述周期性涂层单元包括至少3层复合结构层；所述复合结构层包括第一成分层与第二成分层；至少1层复合结构层中，第一成分层的厚度大于第二成分层的厚度；至少1层复合结构层中，第二成分层的厚度大于第一成分层的厚度；单个所述周期性涂层单元的各个所述复合结构层中，第一成分层的厚度完全不同或不完全相同，第二成分层的厚度完全不同或不完全相同。
4、所述周期性涂层单元中，厚度最厚的第一成分层的厚度为amax，厚度最薄的第一成分层的厚度为amin，厚度最厚的第二成分层的厚度为bmax，厚度最薄的第二成分层的厚度为bmin，各层厚度的单位为nm；所述周期性涂层单元中，各层厚度满足：1.5≤amax/amin≤3，1.5≤bmax/bmin≤3，1.5≤amax/bmin≤3，1.5≤bmax/amin≤3。
5、本专利技术提供的纳米结构涂层通过特定的周期性涂层单元，使纳米结构涂层同时具备薄周期的超硬度与厚周期的强韧性，将其应用于切削工具时，能够显著提升切削工具的使用寿命。
6、具体的，现有的单周期纳米结构涂层的第一成分层厚度a nm、第二成分层厚度bnm以及单周期层厚度c＝(a+b)nm为定值，纳米层界面数量在单位厚度(以1μm＝1000nm为例)下的数量1000/c也是定值。其中，a与b的大小影响着涂层的硬度与耐磨性，单位厚度纳米层界面数量1000/c的大小影响着涂层结合力。
7、本专利技术的纳米结构涂层的单一周期性涂层单元中，第一成分层的厚度和第二成分层的厚度不为定值，存在至少3层复合结构层，至少1层复合结构层中的第一成分层的厚度大于第二成分层的厚度，至少1层复合结构层中的第二成分层的厚度大于第一成分层的厚度。当复合结构层的厚度相同时，单位厚度纳米层界面数量仍然为1000/c，在纳米界面数量和密度即涂层结合力差异不大的情况下，可以获得相对单周期纳米层更薄的厚度。基于霍尔-佩奇(hall-petch)关系，更薄的厚度能够提升硬度，最薄厚度的第一成分层与最薄厚度的第二成分层能够显著提高纳米结构涂层的整体硬度。因此，相较于单周期纳米结构涂层，本专利技术提供的纳米结构涂层能够在结合力差异不大的情况下，显著提升硬度。
8、为了保证纳米结构涂层在结合力差异不大的情况下，显著提高硬度，需要amin与amax，以及bmin与bmax存在足够的差异。当周期性涂层单元的各层厚度满足amax/amin≥1.5、bmax/bmin≥1.5、amax/bmin≥1.5且bmax/amin≥1.5时，厚度最小的第一成分层与厚度最小的第二成分层提供的硬度提升能够明显大于厚度最厚的第一成分层、第二成分层带来的硬度衰减，使涂层的整体硬度显著提升；但厚度差异过大时，会导致厚度最小的第二成分层的相成分和晶格常数等微结构会倾向于在厚度最大的第一成分层的基础上外延生长，使厚度最薄的第二成分层发生晶格畸变，从第二成分的晶格常数畸变为第一成分的晶格常数，这虽然能够提升纳米结构涂层的硬度，但会使纳米结构涂层的抗塑性变形能力衰落，进而导致纳米结构涂层的结合力大幅降低。因此，需要使周期性涂层单元中各层厚度满足：1.5≤amax/amin≤3，1.5≤bmax/bmin≤3，1.5≤amax/bmin≤3，1.5≤bmax/amin≤3。
9、其中，1.5≤amax/amin≤3，例如可以是1.5、1.8、2、2.4、2.5、2.8或3，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
10、1.5≤bmax/bmin≤3，例如可以是1.5、1.8、2、2.4、2.5、2.8或3，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
11、1.5≤amax/bmin≤3，例如可以是1.5、1.8、2、2.4、2.5、2.8或3，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
12、1.5≤bmax/amin≤3，例如可以是1.5、1.8、2、2.4、2.5、2.8或3，但不本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米结构涂层，其特征在于，所述纳米结构涂层包括依次层叠设置的周期性涂层单元；
2.根据权利要求1所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述周期性涂层单元包括3层-10层复合结构层。
3.根据权利要求1或2所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述第一成分层的厚度为4nm-70nm；
4.根据权利要求3所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述复合结构层的厚度为12nm-100nm；
5.根据权利要求1所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述第一成分层中的第一成分为M1aM2bM3cMm，M1包括Ti、Cr、Zr、Hf、W或Mo中的任意一种，M2包括Al，M3包括Ti、Cr、Zr、Hf、V、Ta、Nb、W、Mn、Mo或Si中的任意一种或至少两种的组合，M为N、O、C或B中的任意一种或至少两种的组合；且a>0.3，b>0.3或b＝0，c≤0.2，且a+b+c＝1；
6.根据权利要求1所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述第二成分层中的第二成分为N1xN2yN3zQq，N1包括Ti、Cr、Zr、Hf、W或Mo中的任意一种，N2包括
7.一种纳米结构涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积使用的物理气相沉积装置包括：
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积时，旋转盘的旋转速度为T1 r/min，所述挡板的开合频率为T2次/min，则T1为T2的整数倍，所述整数倍的倍数与所述周期性涂层单元中复合结构层的层数相同。
10.一种切削工具，其特征在于，所述切削工具包括权利要求1-6任一项所述的纳米结构涂层。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米结构涂层，其特征在于，所述纳米结构涂层包括依次层叠设置的周期性涂层单元；
2.根据权利要求1所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述周期性涂层单元包括3层-10层复合结构层。
3.根据权利要求1或2所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述第一成分层的厚度为4nm-70nm；
4.根据权利要求3所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述复合结构层的厚度为12nm-100nm；
5.根据权利要求1所述的纳米结构涂层，其特征在于，所述第一成分层中的第一成分为m1am2bm3cmm，m1包括ti、cr、zr、hf、w或mo中的任意一种，m2包括al，m3包括ti、cr、zr、hf、v、ta、nb、w、mn、mo或si中的任意一种或至少两种的组合，m为n、o、c或b中的任意一种或至少两种的组合；且a>0.3，b>0.3或b＝0，c≤0.2，且a+b+c＝1；
6.根据权利要求1所述的纳米结构涂层，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：许荣杰，钟舒琦，赵晓晓，于清琳，刘超，林乐，林亮亮，郑爱钦，
申请(专利权)人：厦门钨业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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