本发明涉及刀具涂层领域，具体涉及一种新型钛锆基超硬工具涂层及其制备方法和应用。
背景技术：
1、高速切削加工作为一项先进的制造技术，在高精密制造中贡献了巨大的作用。相较于常规切削加工技术，它集高效、优质、低耗于一身。在切削过程中，高速加工状态必然产生大量的热量，为保证切削刀具的正常使用，大多数机械加工中选择加入切削液降低温度。但是加工过程中产生的高温使切削液呈雾状挥发，严重污染环境并威胁操作者的健康。为促进高速切削加工绿色转型，提出干式切削技术。然而，干式切削技术是在无冷却条件下进行磨削的工艺，缺少切削液的冷却润滑与排屑功能，磨削区刀具与工件之间的摩擦面积加大，切削阻力上升，出现磨削震动加大以及排屑不畅等状况，大大降低工件表面质量和刀具使用寿命。
2、为克服这些难题，通常需要对刀具的表面进行处理，通过物理气相沉积技术于刀具表面沉积一层保护涂层，这种涂层可以提高刀具的性能，同时也能延长其使用寿命。然而，对于传统的刀具涂层，例如tin、crn以及tialn等，已经逐渐发现它们难以满足这些严格的性能标准。这些传统的涂层在高温高压的环境下，其性能可能会下降，从而无法达到更高的使用要求。因此，需要研发新的涂层材料和制备技术，以满足刀具在高温高压环境下的性能需求。
3、在申请号为202310681051.4的中国专利中，通过在刀具基体与多层涂层之间设置韧性较好、硬度较低的粘结层提高涂层具有较高的结合强度，但过渡层单一，粘结层与周期复合层之间成分差异较大，存在热膨胀系数差异，涂层使用过程中易崩裂性，过早失效；粘结层厚度过薄，虽然可以提高粘结强度，但是不能对复合交替层和功能层起到很好的支撑作用，容易造成涂层早期失效。高温退火后涂层的硬度是涂层结构热稳定性的一个主要力学参量，也是其能否长期使用的一个重要指标，该发明al基涂层抗氧化性能优异，但是高温下力学性能不足，刀具切削过程中容易发生磨损。在申请号为201680023831.8的中国专利中，实施例硬度显示为2200hv-3200hvg，硬度偏低，耐磨损性能有待提高；该发明目的是提高钛合金切削过程中抗黏附性能；该发明涂层成分主要为al元素，抗氧化性能优异，但是高温下力学性能不足，刀具切削过程中容易发生磨损；实施例显示涂层厚度3um左右，涂层厚度较薄，耐冲击性能有待提高；涂层制备过程中，经ar离子蚀刻后直接镀膜，为进行硬度梯度结果设计，结合强度有待提高。在申请号为202310559774.7的中国专利中，使用磁控溅射方式，从实施例附图可看出涂层与基体间结合强度(lc1)较弱，氧化前部分实施例不足5n，耐崩裂性能较弱；实施例硬度仅有28.8gpa，耐磨损性能有待提高；涂层厚度较薄，实施例显示仅1um左右，耐冲击性能不强；涂层制备过程中，3组靶材同时溅射，工艺复杂，重复率低。
技术实现思路
1、本发明设计开发了一种新型钛锆基超硬工具涂层，本发明的发明目的是解决了现有刀具涂层高温硬度低、耐磨损性能不强、耐崩裂性能较弱的问题。
2、本发明设计开发了一种新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，本发明的发明目的是提供了一种在制备过程中通过引入成分梯度变化的过渡层，将tizralcrn和tizralcrsin复合构建成为超硬强韧耐高温刀具涂层材料的制备方法。
3、本发明设计开发了一种新型钛锆基超硬工具涂层的应用，本发明的发明目的是解决超硬强韧耐高温刀具涂层的应用问题。
4、本发明提供的技术方案为：
5、一种新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，包括如下步骤：
6、步骤一、将待镀样品清洗后置于镀膜炉，抽真空后将基体加热，进行离子注入；
7、步骤二、调节氩气流量，保持真空态，打开tizralcr靶电弧电源沉积tizralcr层后，关闭tizralcr靶电弧电源，打开tizralcrsi靶电弧电源沉积tizralcrsi层，形成粘结层后关闭tizralcrsi靶电弧电源；
8、步骤三、调节氮气和氩气流量，保持真空态，打开tizralcr靶电弧电源沉积tizralcrn层后，关闭tizralcr靶电弧电源，打开tizralcrsi靶电弧电源沉积tizralcrsin层，形成过渡层后关闭tizralcrsi靶电弧电源；
9、步骤四、同时打开tizralcr靶电弧电源和tizralcrsi靶电弧电源，沉积tizralcrn/tizralcrsin层，形成功能层后冷却，得到所述新型钛锆基超硬工具涂层。
10、优选的是，在所述步骤一中，所述待镀样品清洗过程包括：将所述待镀样品分别浸没在丙酮、去离子水和无水乙醇中分别超声波清洗10～20min，并风干表面；以及
11、抽真空至5×10-2pa，加热至400～500℃保温60min。
12、优选的是，在所述步骤一中，离子注入条件包括：选择阴极为ti，引出电压为10-15kv，触发频率0-15hz，控制靶流为80-120ma，注入时间为30min。
13、优选的是，在所述步骤二中，设置镀膜转速为1r/min，真空态保持至1.0～1.2pa。
14、优选的是，在所述步骤三中，设置镀膜转速为1r/min，真空态保持至2.4～3.6pa，氮气和氩气分压比为1：2。
15、优选的是，在所述步骤四中，设置转速为截止镀膜结束由1r/min增加至5r/min，真空态保持至2.4～3.6pa，氮气和氩气分压比为1：2。
16、优选的是，设置tizralcr靶材为tipzrqalrcrs，式中，p、q、r、s满足0.40≤p≤0.55，0.25≤q≤0.35，0.10≤r≤0.25，0.05≤s≤0.10，p+q+r+s＝1，电流为90～120a，偏压-50～-350v，持续2～10min；
17、设置tizralcrsi靶材为tiazrbalccrdsie，式中a、b、c、d、e、满足0.40≤a≤0.55，0.25≤b≤0.35，0.10≤c≤0.25，d＝0.05，e＝0.05，a+b+c+d+e＝1，电流为90～120a，偏压-50～-350v，持续2～10min；以及
18、其中，0≤|p-a|≤0.15，0≤|q-b|≤0.15，0≤|r-c|≤0.15，0≤|s-d|≤0.10。
19、一种新型钛锆基超硬工具涂层，使用所述的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法制备得到，所述新型钛锆基超硬工具涂层包括依次沉积的粘结层、过渡层和功能层；
20、其中，所述粘结层包括依次沉积的tizralcr层和tizralcrsi层，所述过渡层包括依次沉积的tizralcrn层和tizralcrsin层，所述功能层包括周期性的交替沉积的tizralcrn层和tizralcrsin层；以及
21、所述tizralcr层的化学组成及其质量百分比为：ti：40％～55％，zr：25％～35％，al：10％～25％，cr：5％～10％；
22、所述tizralcrsi层的化学组成及其质量百分比为：ti：40％～55％，zr：25％～35％，al：10％～25％，cr：5％，si：5％；
23、所述tizralcrn层的化学组成及其质量百分比为：ti：20％～27.5％，zr：12.5％～17.5％，al：5％～12.5％，cr：2.5％～5％，n：50％；
24、所述tizralcrsin层的化学组成及其质量百分比为：ti：20％～27.5％，zr：12.5％～17.5％，al：5％～12.5％，cr：2.5％，si：2.5％，n：50％。
25、优选的是，所述新型钛锆基超硬工具涂层厚度为3～6um。
26、一种新型钛锆基超硬工具涂层在超硬强韧耐高温刀具中的应用，使用所述的新型钛锆基超硬工具涂层。
27、本发明所述的有益效果：
28、1、本发明提供的新型钛锆基超硬工具涂层的成分中，tizr基涂层，高温下zr元素会直接促进热力学稳定的金红石型tio2的形成，并进一步导致形成致密的基于tio2的结构(当zr取代tio2中的ti形成(ti，zr)o2时)，增加涂层高温力学性能(高温硬度和高温耐磨损性能)；引入小半径si元素，在涂层中si元素主要以si3n4非晶形式存在，使得涂层逐渐致密，增加涂层硬度；al、cr会在氧化过程中生成al2o3、cr2o3保护性氧化层，可以有效地阻止氧气向硬质合金内的进一步扩散，保证涂层高的抗氧化性能，所制备涂层具有较高的混合熵，趋向于形成简单固溶体或是非晶结构，可以达到高熵合金的强化要求；
29、2、本发明提供的新型钛锆基超硬工具涂层结构中，引入厚的粘结层，提高抗冲击能力，避免鸡蛋壳效应；引入成分梯度变化的过渡层(si含量变化)，形成热膨胀系数梯度过渡，增加结合力和抗崩裂性能力；
30、3、本发明提供的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法中，通过调节转架转速(1r/min-5r/min)，交替沉积单层超过50nm-25nm厚度的纳米涂层，实现功能层的梯度结构制备，接近表面的功能层部分形成纳米多层结构，该部分能够产生明显的“超晶格”强化效应，提高涂层硬度的同时也抑制了裂纹的层间扩展。
1.一种新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述待镀样品清洗过程包括：将所述待镀样品分别浸没在丙酮、去离子水和无水乙醇中分别超声波清洗10～20min，并风干表面；以及
3.如权利要求1所述的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，离子注入条件包括：选择阴极为ti，引出电压为10-15kv，触发频率0-15hz，控制靶流为80-120ma，注入时间为30min。
4.如权利要求2或3所述的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，设置镀膜转速为1r/min，真空态保持至1.0～1.2pa。
5.如权利要求1所述的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，设置镀膜转速为1r/min，真空态保持至2.4～3.6pa，氮气和氩气分压比为1：2。
6.如权利要求1所述的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤四中，设置转速为截止镀膜结束由1r/min增加至5r/min，真空态保持至2.4～3.6pa，氮气和氩气分压比为1：2。
7.如权利要求1-3、5、6中任一项所述的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法，其特征在于，设置tizralcr靶材为tipzrqalrcrs，式中，p、q、r、s满足0.40≤p≤0.55，0.25≤q≤0.35，0.10≤r≤0.25，0.05≤s≤0.10，p+q+r+s＝1，电流为90～120a，偏压-50～-350v，持续2～10min；
8.一种新型钛锆基超硬工具涂层，其特征在于，使用如权利要求1-7中任一项所述的新型钛锆基超硬工具涂层的制备方法制备得到，所述新型钛锆基超硬工具涂层包括依次沉积的粘结层、过渡层和功能层；
9.如权利要求8所述的新型钛锆基超硬工具涂层，其特征在于，所述新型钛锆基超硬工具涂层厚度为3～6um。
10.一种新型钛锆基超硬工具涂层在超硬强韧耐高温刀具中的应用，其特征在于，使用如权利要求8所述的新型钛锆基超硬工具涂层。
