TiSiN納米復合硬質(zhì)涂層的制備與物性研究.pdf

1、TiN涂層具有良好的耐磨損和耐腐蝕性能，是目前廣泛使用的刀具涂層之一。然而 TiN涂層硬度低、抗高溫氧化性能差，在 TiN涂層中摻入 Si形成TiSiN納米復合結(jié)構涂層可以顯著改善 TiN涂層的性能。但傳統(tǒng)濺射方法制備的TiSiN涂層結(jié)構疏松、結(jié)合力差，并且沉積溫度高，限制了其進一步廣泛應用。近年來興起的高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)技術具有離化率高、離子能量高的特點，對沉積涂層的轟擊作用強，有助于納米復合結(jié)構的形成，對提高涂層性能

2、、降低沉積溫度及大面積均勻沉積具有優(yōu)勢。本論文首先采用新型HIPIMS技術沉積 TiN涂層為出發(fā)點，優(yōu)化偏壓參數(shù)；在此基礎上，通過基架自轉(zhuǎn)與固定的調(diào)節(jié)方式，研究了持續(xù)離子轟擊對涂層的影響；其次，采用HIPIMS和 DCMS兩種技術沉積TiSiN涂層，對涂層的結(jié)構和性能做了系統(tǒng)對比；最后，我們系統(tǒng)研究了用HIPIMS制備 TiSiN涂層的過程中，不同 N2流量對等離子特性、涂層成分、結(jié)構與力學性能的影響。相關研究結(jié)果為HIPIMS技術制備

3、納米復合涂層的研究及工程化應用提供理論基礎和技術指導。
　　研究結(jié)果表明，偏壓對 HIPIMS濺射制備 TiN涂層結(jié)構和性能的影響顯著。增大偏壓，TiN涂層的沉積速率逐漸降低，涂層逐漸致密，表面粗糙度先減小后增加，在偏壓為-300 V時表面最為光滑（Ra:10.1 nm）；擇優(yōu)取向由(111)晶向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?200)晶向；硬度和彈性模量先增大后減小，與結(jié)合力變化趨勢相一致，在偏壓為-300V時達到最高（17.4 GPa和263.8

4、 GPa，結(jié)合力為59 N）。其次，研究表明在持續(xù)離子轟擊作用下能夠獲得性能優(yōu)異的TiN涂層，持續(xù)離子轟擊作用可以使涂層的致密性增加，粗糙度降低，結(jié)晶性增強，顯著提高涂層的力學性能，同時其耐腐蝕性也有一定程度的改善。
　　HIPIMS技術在沉積 TiSiN納米復合涂層方面有顯著優(yōu)勢。與DCMS技術相比，HIPIMS技術沉積的TiSiN涂層具有更光滑的表面，更小的晶粒尺寸，更致密的結(jié)構，更低的壓應力和更高的硬度，更好的耐腐蝕性，并且

5、其結(jié)合力和摩擦學性能明顯優(yōu)于 DCMS沉積的TiSiN涂層。
　　采用HIPIMS技術，在溫度為300℃，不同N2流量下制備的TiSiN涂層均具有非晶Si3N4包裹納米晶TiN復合結(jié)構，表面光滑，但涂層成分變化幅度較小。不同N2流量下，TiSiN涂層均呈(200)和(220)混合取向，隨 N2流量的增加，擇優(yōu)取向由(200)轉(zhuǎn)變?yōu)?220)，TiN晶粒尺寸逐漸增大，自由形式的Si完全氮化為非晶Si3N4，TiSiN涂層的硬度和彈性