本发明涉及表面改性工程技术领域，尤其涉及一种可适用于切削刀具的刀具涂层和其他领域的保护性涂层的具有超高硬度的si掺杂纳米复合涂层的制备工艺。
背景技术：
切削刀具不仅需要有很高的硬度和耐磨性，而且需要有较好的抗弯强度和冲击韧性。这两方面的性能相互矛盾，难以兼顾。刀具涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术，采用涂层技术可以有效解决刀具材料的硬度、耐磨性和抗弯强度、冲击韧性之间的矛盾，有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。
涂层材料被涂覆在刀具基体上并与之相结合，刀具的耐磨性和切削性能被提高的同时，基体本身的韧性不会被降低，从而降低工件与刀具之间的摩擦系数，延长了刀具的工作寿命。刀具涂层另外一项显著的作用就是隔热，由于大多数涂层自身的热传导系数比被加工部件和刀具基体都要低的多，导致加工中产生的热量冲击散失途径改变，形成热屏蔽，有效地保护刀具基体，改善其使用效率。
然而，随着切削技术向高速切削和干式切削方向发展，传统的涂层，如tin、crn甚至tialn涂层已逐渐不能满足苛刻的性能要求。随着表面科学技术的发展，将传统tin、tialn等涂层掺入si元素可使涂层形成具有纳米复合结构的新型涂层，纳米复合涂层技术是近年来迅速发展的涂层新技术，其涂层材料的晶粒度一般都在100nm以下，具有超高的硬度和良好的综合性能。比如，在tialn中加入si元素形成纳米复合结构的tialsin涂层，其硬度可以达到40gpa以上，并且其抗高温氧化性较tialn涂层有明显提高。tialsin是目前先进的保护性涂层材料，自出现就成了国内外研究的热点，世界上许多企业也积极进行工业应用，其最主要的特点就是超高硬度和良好的耐温性能。
目前，通过查询文献可知tialsin涂层已经通过不同的沉积方法成功制得。通过查新检索到如下制备tialsin涂层有关的专利：
申请号为201510237876.2的专利公开了一种tialsin超硬梯度涂层的制备方法，包括一个对工件表面进行喷砂和清洗的步骤，一个采用阴极离子镀工艺对工件镀制tialsin超硬梯度涂层的步骤，包括六个阶段，第一阶段制备ti打底涂层；第二阶段制备tin梯度涂层，第三阶段制备tial梯度涂层，第四阶段制备tialn梯度涂层，第五阶段制备sin梯度涂层，第六阶段制备tisin梯度涂层，最后对涂层表面进行抛光处理。通过本发明的方法制备的tialsin梯度涂层的弹性模量可达340gpa，耐高温氧化温度可达1200℃。
申请号为201110439124.6的专利公开了一种tialsin-dlc复合薄膜，包括附着于金属基体表面的tialsin层，附着于tialsin层上的c掺杂的tialsin层，和附着于c掺杂的tialsin层上的dlc层；所述tialsin层的厚度为0.8μm～2μm，所述c掺杂的tialsin层的厚度为0.3μm～1μm，所述dlc层的厚度为1μm～2.5μm。本发明金属基体与膜层、膜层内部之间成分及微结构的平滑过渡，无明显物理界面，实现了tialsin层与dlc层之间的“无界面”结合，保证了复合薄膜兼具良好的抗高温氧化性能及自润滑耐磨减摩性能。
申请号为201210139265.0的专利公开了一种耐磨损和抗氧化的纳米复合tialsin超硬涂层的制备方法，将基体预处理后放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备中，以柱弧ti靶作为ti源，通过柱弧电源电流控制柱弧ti靶的溅射率；以平面si靶、al靶作为相应元素的来源，平面si靶和al靶以对靶的方式安置在炉体内壁上，通过调整中频脉冲电源的功率控制靶的溅射率；采用高纯ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯n2作为反应气体，使其离化并与ti、si、al元素结合，在基体表面沉积形成tialsin涂层，所制备的tialsin涂层厚度为3.5微米，涂层显微硬度40gpa，摩擦系数约为0.7，tialsin涂层抗氧化温度可以达到1000℃，具有优良的抗氧化性能和耐磨损性能。
申请号为201510808060.0的专利公开了一种超硬纳微米多层复合涂层及其制备方法，该超硬纳微米多层复合涂层由tialsin层、ticn层、tin层构成，其涂层结构由里到外依次为tin层、ticn层、tialsin层，该涂层的制备方法为物理气相沉积，各层涂层结构均为纳微米复合结构，本发明制备的tialsin/ticn/tin多层涂层厚度为2.5～3.5um，具有高的硬度、耐磨性及抗高温氧化性，其过渡层结构提高了涂层与基体的结合力，减少了涂层生长的本征应力及热应力，能够提高工模具的使用性能及工作寿命。
申请号为201010192207.5的专利公开了一种crtialsin纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法。该复合涂层包括粘结层、支撑层和主耐磨层，粘结层为cr，支撑层为crn，主耐磨层是由crsin层与tialsin层交替构成的crsin/tialsin纳米多层复合涂层。将上述粘结层沉积在刀具基体上，再沉积支撑层和主耐磨层，即得到沉积有该涂层的刀具。本发明所得crtialsin纳米复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、附着力强的优点。
申请号为201510756629.3的专利公开了一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，刀具基体上由内至外依次附着有过渡层和耐磨层，过渡层为tin，耐磨层由tibn层和tialsin层交替复合构成。本发明同时还提供了上述刀具的制备方法，在进行涂层之前先沉积一层过渡层，过渡层可以极大的提高涂层的附着力；然后在一定条件下沉积纳米复合多层涂层，通过控制工件架转速和氮气气压，来实现多层复合薄膜调制周期的变化，以调节一个双层周期的厚度。本发明所制备tibn/tialsin纳米复合多层涂层刀具有良好的结合力和耐磨、耐高温性能，保证了刀具长期稳定工作。
然而，在以上文献中，存在涂层力学性能与涂层成本相矛盾的问题，有些涂层硬度等力学性能不高，不能满足日益恶化的零件服役环境；而某些性能较好的涂层材料，制备工艺又相对复杂，从而造成涂层的生产成本增加。因此，开发出工艺简单、生产成本低、具有高硬度、高耐磨性的tialsin纳米复合涂层及其制备技术是亟待解决的关键问题。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种工艺简单、沉积速度快、成本低、生产效率高、能耗低的具有超高硬度的si掺杂纳米复合涂层的制备工艺，此工艺对设备要求较低，可作为高速、干式切削的刀具涂层和其他领域的保护涂层。采用此工艺制作的涂层具有较高的硬度，具有优良的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能，结合强度高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有超高硬度的si掺杂纳米复合涂层的制备工艺，其包括以下步骤：
s1、基体的清洗：所述基体的清洗包括先后依次进行的超声波清洗和离子清洗；
s2、tin过渡层的制备：将经清洗后的基体送到溅射室，通过直流电源控制ti靶，真空室的本底真空度优于5
s3、tialsin纳米复合涂层的制备：将经步骤s2处理后的基体继续沉积，ti-si复合靶材由射频阴极控制，真空室的本底真空度优于5
优选的方案，步骤s1所述的超声波清洗是将经打磨镜面抛光处理后的基体在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗5～10min。
进一步优选的方案，步骤s1所述的离子清洗的方法为：将经超声波清洗后的样品装好后置入进样室，抽真空后开ar，维持真空度为2～4pa，用中频对基体进行30min的离子轰击，离子轰击的功率为80～100w。
更进一步优选的方案，所述步骤s1所述的基体为金属、硬质合金或陶瓷。
再进一步优选的方案，步骤s3所述具有纳米复合结构的tialsin纳米复合涂层由呈现nacl结构的tialn相和si3n4相组成。
步骤s2和s3所述的ar和n2的混合气体中，n2流量为5～10sccm，ar流量为30～50sccm，n2和ar的流量比的范围均为：3/38～7/38。
步骤s2中的ti靶和步骤s3中的ti-si复合靶材与基体之间的距离范围均为5～7cm。
步骤s3所述tialsin纳米复合涂层沉积的气压范围为0.2～0.6pa。
所述步骤s1中超声波的清洗频率为15～30khz，中频为13.56hz。
步骤s3所述基体沉积时加热的温度范围为200～400℃。
通过采用以上技术方案，本发明一种具有超高硬度的si掺杂纳米复合涂层的制备工艺与现有技术相比，其有益效果为：
1、本发明获得的tialsin涂层主体由tialn相和si3n4界面相两相组成，并且在涂层内部形成纳米复合结构，即si3n4界面相包裹晶粒尺寸为5～10nm的tialn纳米晶粒，在该纳米复合结构下，位错运动难以开展，因此，本涂层可获得较高的硬度，其硬度可高于40gpa。
2、本发明所获得的涂层具有优良的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能。
3、本发明不仅制作工艺简单、沉积速度快、成本低、结合强度高，并且具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优点，可作为高速、干式切削的刀具涂层和其他领域的保护涂层。
附图说明
图1为本发明一种具有超高硬度的si掺杂纳米复合涂层的制备工艺的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的制备方法中所用到的仪器分别为：
jgp-450型多靶双室磁控溅射系统；
m308457超声波清洗机。
本发明所采用的测试方法：
edax能谱仪（eds）分析成分；
d/max2550vb/pc型x射线衍射仪（xrd）测定物相组成；
nanoindenterg200型纳米压痕仪测量硬度和弹性模量。
一种具有超高硬度的si掺杂纳米复合涂层材料及其制备工艺，如附体1所示，其包括如下制备步骤：
（1）基体清洗
将经打磨镜面抛光处理后的基体在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗5～10min；
然后进行离子清洗：将样品装好后装入进样室，抽真空后开ar气，维持真空度在2～4pa，用中频对所述基体进行30min的离子轰击，功率为80～100w；
（2）tin过渡层制备
将步骤（1）处理后的基体送到溅射室，通过直流电源控制ti靶，真空室的本底真空度优于5
（3）tialsin纳米复合涂层制备
将步骤（2）处理后的基体继续沉积，ti-si复合靶材由射频阴极控制，真空室的本底真空度优于5
本专利中涂层在jgp-450型多靶磁控溅射仪上采用反应溅射法制备。采用高速钢、硬质合金等作为基体，经丙酮和无水乙醇超声波清洗后装入真空室内进行30min的离子清洗，然后采用直流或射频反应溅射方法沉积。
以下各实施例中还是按照上述步骤进行制备，只是具体参数稍作变化，具体如下：
实施例1
本发明提出的tialsin纳米复合涂层制备方法的具体工艺参数为：靶基距：5cm；n2流量：5sccm；ar流量：38sccm；总气压：0.4pa；温度：300℃；射频电源功率：350w，沉积时间：90min。经测试，获得涂层硬度为42.4gpa，涂层厚度为2.5μm。
实施例2
本发明提出的tialsin纳米复合涂层制备方法的具体工艺参数为：靶基距：6cm；n2流量：10sccm；ar气流量：48sccm；总气压：0.6pa；温度：250℃；射频电源功率：300w，沉积时间：120min。经测试，获得涂层硬度为40.4gpa，涂层厚度为4.6μm。
实施例3
本发明提出的tialsin纳米复合涂层制备方法的具体工艺参数为：靶基距：7cm；n2流量：6sccm；ar气流量：40sccm；总气压：0.5pa；温度：350℃；射频电源功率：320w，沉积时间：100min。经测试，获得涂层硬度为41.6gpa，涂层厚度为3.7μm。
实施例4
本发明提出的tialsin纳米复合涂层制备方法的具体工艺参数为：靶基距：5cm；n2流量：5sccm；ar气流量：30sccm；总气压：0.2pa；温度：200℃；射频电源功率：280w，沉积时间：110min。经测试，获得涂层硬度为42.8gpa，涂层厚度为3.2μm。
实施例5
本发明提出的tialsin纳米复合涂层制备方法的具体工艺参数为：靶基距：6cm；n2流量：7sccm；ar气流量：45sccm；总气压：0.4pa；温度：250℃；射频电源功率：300w，沉积时间：100min。经测试，获得涂层硬度为40.7gpa，涂层厚度为2.6μm。
实施例6
本发明提出的tialsin纳米复合涂层制备方法的具体工艺参数为：靶基距：7cm；n2流量：9sccm；ar气流量：42sccm；总气压：0.4pa；温度：300℃；射频电源功率：330w，沉积时间：90min。经测试，获得涂层硬度为40.4gpa，涂层厚度为3.0μm。
上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。