多弧離子鍍沉積TiAlSiN涂層及其性能研究.pdf

1、20世紀(jì)末以來，材料的表面處理、表面改性技術(shù)迅猛發(fā)展，在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)化生產(chǎn)中都取得了豐碩的成果。真空離子鍍技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用領(lǐng)域最廣、最先進(jìn)的表面處理技術(shù)之一，其中采用多弧離子鍍技術(shù)沉積的硬質(zhì)涂層以其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能倍受青睞。目前，多弧離子鍍技術(shù)沉積TiN涂層依然是高速切削刀具表面防護(hù)的主要措施。然而TiN的抗氧化溫度只有500℃，這限制了其應(yīng)用廣度。為了提高涂層的抗氧化溫度，多元合金化合物涂層得到了廣泛研究，TiAlSiN涂層就是其

2、中之一。與TiN涂層相比，TiAlSiN涂層具有更高的硬度和抗氧化溫度;另外Si元素的摻入又限制了TiAlN涂層中柱狀晶的生長，因此TiAlSiN涂層有望成為性能更好的硬質(zhì)防護(hù)涂層。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的TiAlSiN涂層制備技術(shù)主要包括:空心陰極電弧離子鍍、磁控濺射離子鍍和多弧離子鍍等。其中，多弧離子鍍技術(shù)具有靶材離化率高、涂層細(xì)膩以及設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。多弧離子鍍技術(shù)制備涂層時(shí)，對(duì)涂層性能都有較大影響的工藝參數(shù)較多，如沉積溫度、

3、反應(yīng)氣體流量、脈沖偏壓等。此外，陰極靶磁場(chǎng)空間分布也會(huì)直接影響靶表面的等離子體的分布以及離化狀況，從而影響涂層質(zhì)量。為此，本論文系統(tǒng)研究了沉積溫度、氮?dú)饬髁亢兔}沖偏壓對(duì)TiAlSiN涂層性能的影響，同時(shí)也研究了脈沖磁場(chǎng)輔助對(duì)多弧離子鍍沉積TiAlSiN涂層性能的影響。
　　(1)采用正交實(shí)驗(yàn)法，以沉積溫度、氮?dú)饬髁亢兔}沖偏壓為主要影響因素，設(shè)計(jì)3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，測(cè)定各因素條件下制備的涂層的硬度、附著力以及表面大顆粒數(shù)目，根據(jù)

4、正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果如下:當(dāng)弧源電流50A、沉積溫度300℃、氬氣流量20sccm、氮?dú)饬髁?50sccm、脈沖偏壓400V（占空比40％）、沉積時(shí)間2h時(shí)TiAlSiN涂層綜合性能較好;用此參數(shù)沉積TiAlSiN涂層，Ti、Al、Si、N原子含量分別為21.31％、23.51％、4.37％、50.81％，表面大尺寸顆粒主要成分為金屬Ti;通過涂層截面的SEM圖像和EDS圖譜發(fā)現(xiàn)，涂層與基底之間形成了擴(kuò)散層，有效的提高了

5、涂層的附著力;該涂層的硬度為39.56GPa，附著力為31.16N。
　　(2)研究了襯底溫度對(duì)涂層性能的影響。當(dāng)沉積溫度從200℃升高到400℃時(shí)，涂層表面大顆粒數(shù)目總體減少，大尺寸（直徑＞1μm）大顆粒數(shù)目呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。沉積溫度為300℃時(shí)，涂層表面的大尺寸顆粒數(shù)目最少;涂層的硬度和附著力隨襯底溫度升高單調(diào)增加，這是由于沉積溫度的升高，提高了粒子反應(yīng)活性，改善了涂層內(nèi)部的結(jié)晶狀況，XRD圖譜結(jié)果證實(shí)了此結(jié)論。

6、　　(3)研究了氮?dú)饬髁繉?duì)涂層性能的影響。當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁繌?00sccm增加到200sccm，涂層表面大顆粒逐漸減少，這是高氮?dú)猸h(huán)境導(dǎo)致的“靶中毒”和氣體增加等離子體平均自由程變短導(dǎo)致碰撞幾率升高共同影響的結(jié)果;涂層硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，適當(dāng)?shù)牡獨(dú)饬髁繉?duì)TiAlSiN生長有利，但過高的氮?dú)饬髁繉?dǎo)致涂層結(jié)晶程度降低，從而降低了涂層的硬度;涂層的附著力呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)，這是隨著氮?dú)饬髁康脑黾?，涂層?nèi)N元素含量升高，涂層陶瓷化明顯，內(nèi)應(yīng)力

7、逐漸增大造成的。
　　(4)研究了脈沖偏壓對(duì)涂層性能的影響。當(dāng)偏壓從200V升高到600V時(shí)，涂層表面大顆粒數(shù)目逐漸減少，大顆粒尺寸細(xì)化，當(dāng)偏壓為600V時(shí)，高能離子的轟擊造成涂層表面和大顆粒外沿出現(xiàn)凹陷;涂層的硬度和附著力都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)脈沖偏壓為400V時(shí)，分別達(dá)到最高值38.60GPa和30.66N。通過XRD圖譜發(fā)現(xiàn)，隨著偏壓的上升，高能離子轟擊使得涂層具有良好的結(jié)晶狀況。當(dāng)偏壓高于400V時(shí)，涂層的力學(xué)性能出