一种自组织调制AlCrMoxN纳米多层结构强韧涂层及其制备方法和应用

本发明属于表面工程领域，具体涉及一种自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、进入21世纪以来，我国在汽车产业、船舶工程、金属加工业、航空航天等方向快速发展，金属铝在工业上受到广泛应用，金属铝的应用刺激我国模具行业的发展，如今模具行业已经成为国民经济的基础产业。通常热作模具钢的磨损现象是发生在服役过程之中，当浇铸的铸件在取出模具时与模具表面产生相对运动，造成模具表面磨损(模具表面形貌改变和尺寸改变)。磨损导致模具失效占总失效的80％。如何提高模具性能以及延长模具使用寿命成为研究热点。

2、crn、tin等pvd涂层被应用于模具的表面防护，但是随着工况日益苛刻，单一二元涂层的防护性能不能满足工况要求，在tin、crn等单层涂层加入al元素能提高其硬度、耐磨性和耐高温性。但是摩擦系数高和高温耐磨性差限制了alcrn等涂层的广泛应用。为提升alcrn涂层的综合性能，通过掺入软质金属例如ag(surface&coatings technology 450(2022)129011)来提升涂层的摩擦性能，但是导致涂层的硬度大幅降低。掺入o元素(actamaterialia.2012(60):6494-6507)会使得涂层的热稳定性和摩擦性能提升，但是会使得涂层的韧性下降。在alcrn涂层掺入mo元素可以有效提高涂层的热稳定性和摩擦学性能；其中，掺入的mo元素在摩擦过程中会生成高离子势氧化物(magnéli相)moo3,极大的提高alcrn涂层的高温摩擦性能。纳米多层结构的涂层在能够有效抑制粗大晶粒组织的生长，降低内应力，在保证涂层高硬度、结合力优异的前提下，涂层的耐磨性、耐热性以及韧性有明显的提升。但是，纳米多层结构涂层对设备要求高，可控性差，难以实现产业化生产，因此发展新型pvd方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层，该自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层的硬度高、韧性好，具备优良的减磨特性，可以显著降低模具与铝合金之间的摩擦，具有较好的化学稳定性及易剪切的润滑特性。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层，所述自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层由纳米alcrmon层和纳米alcrn层交替自组织生长得到，所述纳米alcrmon层和纳米alcrn层均呈面心立方结构，且所述纳米alcrmon层和纳米alcrn层均以柱状晶生长，所述自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层的厚度为3-6.5μm，所述自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层中。

3、作为优选，所述自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层包括如下质量百分比的组分：20-45％cr、1-25％mo、20-40％n、余量为al，所述纳米alcrmon层由alcr(mo)n相和mo2n相组成，所述alcr(mo)n相为mo原子取代al或cr形成的固溶体相。mo元素掺杂进alcrn中，使得mo原子代替(al，cr)n晶格中的al/cr原子位形成置换固溶体，因此alcrmoxn减摩涂层中包含aln、crn和mo2n等纳米晶相。

4、作为优选，所述alcrn层的厚度范围为3-12nm，所述alcrmon层的厚度范围为1-4nm。

5、作为优选，所述alcrn层与所述alcrmon层的厚度比为(2-2.5):1。

6、作为优选，所述自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层为致密无柱状生长缺陷的自组织纳米层状结构，且硬度为30-45gpa，韧性评价指标h3/e2为0.1-0.2gpa，摩擦系数为0.2-0.4，

7、本发明的第二个目的在于提供一种自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：

8、s1、基体处理，先把基体进行机械抛光处理，然后进行超声清洗，超声清洗干净后用热风风干；

9、s2、将烘干的基体置于真空腔体中，以cr靶作为电弧靶，沉积cr层；然后通入n2气体作为反应气体，在cr层上沉积crn过渡层；

10、s3、利用双靶阴极电弧镀膜装置，将cral复合靶、crmo复合靶作为电弧靶，两电弧靶上下分布，n2气体作为反应气体，在crn过渡层上高通量制备自组织调制alcrmoxn纳米多层涂层。

11、作为优选，所述步骤s2中，cr层的厚度为500-1500nm，crn过渡层的厚度为500-1500nm。

12、作为优选，所述步骤s2中，沉积cr层的参数如下：阴极电弧靶cr靶的电流为30-100a，氩气气体的通入流量为100-300sccm，气压为15-60mtorr，基体预热至100-400℃，沉积偏压为-59v至-400v，沉积时间为5-30min，cr靶电流为10-100a，基体与cr靶的靶间距为15-20cm。

13、作为优选，沉积crn过渡层的参数如下：阴极电弧靶cr靶的电流为30-100a，氩气气体的通入流量为100-300sccm，气压为15-60mtorr，基体预热至100-400℃，沉积偏压为-59v至-400v，氮气的通入量为150-600sccm，沉积时间为5-30min，cr靶电流为10-100a，基体与cr靶的靶间距为15-20cm。

14、作为优选，所述步骤s3中，沉积alcrmoxn涂层时，cral靶的溅射平均功率为500-2500w，crmo靶的溅射平均功率为1.9-2.1k w，氮气气体的通入流量为400-800sccm，工作压强为65-85mtorr，基体预热至100-400℃，沉积偏压为-50v至-100v，cral靶电流为10-80a，crmo靶电流为90-150a，沉积时间为50-200min，基体与cral靶的靶间距为10-15cm，与crmo靶的靶间距为10-15cm。

15、作为优选，所述crmo靶中cr与mo的比例为7:3，所述cral靶中cr与al的比例为7:3。

16、本发明的第三个目的在于提供一种自组织调制alcrmoxn纳米多层结构强韧涂层在刀具、汽车压铸和冲压模具中的应用

17、与现有技术相比，本发明有如下优点：

18、1、本发明是一种自组织调制的纳米多层结构的强韧涂层，调制层为alcrmon/alcrn，其中子层厚度1-12nm，两调制层交替生长。本发明利用双靶阴极电弧镀膜装置，将cral复合靶、crmo复合靶作为电弧靶，两电弧靶上下分布，n2气体作为反应气体，高通量制备自组织调制形成纳米调制多层涂层，相比于现有工艺，操作简单；

19、2、本发明所制备涂层结构致密，调制子层alcrmon层由alcr(mo)n和mo2n两相组成，mo固溶于alcrn晶格，特殊晶体结构使涂层膜/基结合力大于80n，强韧性好，摩擦系数及磨损率远低于纯alcrn涂层；

20、3、本发明研制的alcrmoxn涂层制备工艺的重复性好，制备的薄膜适用于h13钢、硬质合金、轴承钢等基体，在刀具、汽车压铸和冲压模具等领域具有广泛的应用前景。