本发明涉及刀具涂层领域，具体涉及一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层及其制备方法和应用。
背景技术：
1、利用物理气相沉积技术(pvd)在刀具表面涂覆具有高硬度、低摩擦、抗氧化、耐磨损的涂层材料可为切削刀具提供良好的防护，延长刀具的使用寿命，目前常用的刀具涂层材料以过渡金属氮化物为主。近年来，随着工业技术水平的不断提高，对硬质涂层的硬度、耐磨性、抗氧化性、抗冲蚀性、抗腐蚀、抗崩裂性及与基体的结合强度等综合性能以及制备提出越来越高的要求，这些改善的结果取决于硬质涂层构成的多元、多结构、纳米、梯度复合化。
2、目前，如何对现有涂层的制备工艺进行改进，通过低成本制备技术获得一种高性能(高温硬度，耐磨损性能，耐崩裂性能等)复合结构高熵陶瓷涂层，是本领域亟待解决的一个技术难题。
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，成本高昂。硬质涂层的任务不仅是为切削刀具基体提供磨损保护，更重要的是为基体提供热防护，因此在三篇中国专利中，存在的共性缺陷包括在连续切削过程中，刀-屑、刀-工件接触区域通常会达到较高温度，垂直于工具表面导热率低、平行工具表面导热率的厚涂层可以为刀具基体提供热屏障，让产生的热量被转移到切屑中，从而降低刀具刃口的热负荷，阻止或延缓刀具刃口的塑性变形。上述涂层制备过程中，均未考虑到这一点。
技术实现思路
1、本发明设计开发了一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层，本发明的发明目的是解决现有工具使用过程中刃口的热负荷过高，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低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，本发明的发明目的是在制备过程中通过涂层结构设计与工艺参数调整，提供了制备具有层中层结构(“三明治”结构)的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法。
3、本发明设计开发了一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的应用，本发明的发明目的是解决干式切削刀具涂层的应用问题。
4、本发明提供的技术方案为：
5、一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，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、调节氮气和氩气流量值，保持真空态，打开tizralcrsi靶电弧电源沉积支撑层；其中，氮气分压从0pa增加至2.4-3.6pa，氩气分压从2.4-3.6pa减小至0；
8、步骤三、调节氮气和氩气流，保持真空态，打开tizralcrsim靶电弧电源沉积过渡层后，关闭tizralcrsi靶弧源电源和tizralcrsim靶弧源电源；
9、步骤四、调节氮气和氩气流，保持真空态，打开tizralcrsim靶电弧电源沉积功能层后，关闭tizralcrsim靶电弧电源，冷却，得到所述新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层。
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80-12ma，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2～4r/min，真空态保持至2.4～3.6pa。
14、优选的是，在所述步骤三中，设置镀膜转速为1～2r/min，真空态保持至2.4～3.6pa。
15、优选的是，在所述步骤四中，设置镀膜转速为1～2r/min，真空态保持至2.4～3.6pa。
16、优选的是，设置tizralcrsim靶材为tiazrbalccrdsiemf，式m代表hf、y、nb中的一种或多种，式中a、b、c、d、e、f满足0.40≤a≤0.55，0.15≤b≤0.25，0.15≤c≤0.25，0.05≤d≤0.10，0.03≤e≤0.05，0.02≤f≤0.05，a+b+c+d+e+f＝1，电流为90～120a，偏压-50～-350v，沉积时间10～30min；
17、设置tizralcrsi靶材为tipzrqalrcrssit，式中p、q、r、s、t满足0.40≤p≤0.55，0.25≤q≤0.30，0.10≤r≤0.25，s＝0.05，t＝0.05，p+q+r+s+t＝1，电流为90～120a，偏压-50～-350v，沉积时间10～30min；
18、其中，0≤|p-a|≤0.15，0≤|q-b|≤0.15，0≤|r-c|≤0.15，0≤|s-d|≤0.05，0≤|t-e|≤0.10。
19、一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层，使用所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法制备得到，所述新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层包括依次沉积的支撑层、过渡层和功能层；
20、其中，所述支撑层包括依次沉积的tizralcrsi层和tizralcrsin层，所述过渡层包括周期性的交替沉积的tizralcrsin层和tizralcrsimn层，所述功能层包括tizralcrsimn层；
21、其中，所述tizralcrsi层的化学组成及其质量百分比为：ti：40％～55％，zr：25％～30％，al：10％～25％，cr：5％，si：5％；
22、所述tizralcrsin层的化学组成及其质量百分比为：ti：20％～27.5％，zr：12.5％～15％，al：5％～12.5％，cr：2.5％，si：2.5％，n：50％；
23、所述tizralcrsimn层的化学组成及其质量百分比为：ti：20％～27.5％，zr：7.5％～12.5％，al：7.5％～12.5％，cr：2.5％～5％，si：1.5％～2.5％，m：1％～2.5％，n：50％；m代表hf、y、nb中的一种或多种。
24、优选的是，所述支撑层的厚度为0.5～1.5um，所述过渡层的厚度为4.5～7.5um，所述功能层的厚度为0.5～1.5um。
25、一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层在干式切削刀具中的应用，使用所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层。
26、本发明所述的有益效果：
27、1、本发明提供的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的成分中，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。添加hf、y、nb元素能够产生固溶体强化提高涂层的强度硬度。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；高熵合金的熔点并不是一个固定的数值，而是受到成分、晶体结构等多种因素的影响。这与其高熵效应和迟滞扩散效应有关，高熵合金的原子扩散速率在高温下低于一般的传统合金，使得合金中晶界的滑动在高温环境下受阻，仍能保持较高的高温强度。因此包含高熔点元素的高熵合金其整体熔点偏高，可以提升高熵合金氮化物陶瓷涂层的高温稳定性能。
28、2、本发明提供的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层结构中，支撑层柱状晶(成分变化，金属到氮化物过渡)+过渡层纳米多层结构+功能层柱状晶结构。该结构涂层可以为工具基体提供良好的热屏障，涂层材料垂直工具表面导热率低、平行工具表面导热率高，让产生的热量最大化转移到切屑中，从而降低刀具刃口的热负荷；
29、支撑层柱状晶(金属粘结层+氮化物强化层)，通过制备工艺参数调整(氮含量逐渐增加)，获得与基体垂直的微米级柱状晶结构，可作为纯净的导热通道，快速散去膜层与基体结合处热量，延缓工具刃口塑性变形，提高工具切削寿命；
30、过渡层纳米多层结构，通过调节转架转速(1r/min-2r/min)，交替沉积单层超过50nm-25nm厚度的纳米涂层，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；
31、功能层柱状晶，由于其粗大使得晶界减少，有较好的各向异性性能，在微观上相当于两个相邻单晶，裂纹跨越强烈各向异性界面困难，使得涂层具有抗蠕变、抗疲劳能力和抗热冲击性能；同时柱状晶间形成亚微米和纳米级陶瓷的增强相，沿着晶界分布，同步提升涂层的硬度和耐磨性，提高工具在极端环境应用的损伤防护可靠性；
32、3、本发明提供的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法中，采用tizralcrsin和tizralcrsimn两块靶材同步开展沉积，通过结构调控可进一步增强高熵陶瓷涂层性能，两块靶材共沉积模式下，能够大幅节省靶材成本、缩短加工周期、提升沉积效率，有利于开展工程化推广，是一种低成本的高熵陶瓷涂层制备工艺。
1.一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，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所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，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80-12ma，注入时间为30min。
4.如权利要求2或3所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，设置镀膜转速为2～4r/min，真空态保持至2.4～3.6pa。
5.如权利要求4所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，设置镀膜转速为1～2r/min，真空态保持至2.4～3.6pa。
6.如权利要求4所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤四中，设置镀膜转速为1～2r/min，真空态保持至2.4～3.6pa。
7.如权利要求1-3、5、6中任一项所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，设置tizralcrsim靶材为tiazrbalccrdsiemf，式m代表hf、y、nb中的一种或多种，式中a、b、c、d、e、f满足0.40≤a≤0.55，0.15≤b≤0.25，0.15≤c≤0.25，0.05≤d≤0.10，0.03≤e≤0.05，0.02≤f≤0.05，a+b+c+d+e+f＝1，电流为90～120a，偏压-50～-350v，沉积时间10～30min；
8.一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层，其特征在于，使用如权利要求1-7中任一项所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层的制备方法制备得到，所述新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层包括依次沉积的支撑层、过渡层和功能层；
9.如权利要求8所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层，其特征在于，所述支撑层的厚度为0.5～1.5um，所述过渡层的厚度为4.5～7.5um，所述功能层的厚度为0.5～1.5um。
10.一种新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层在干式切削刀具中的应用，其特征在于，使用如权利要求8所述的新型低成本复合结构高熵陶瓷涂层。
