磁控溅射镀膜技术在(Cr,Ti,Al)N涂层上的应用

过渡金属氮化物硬质涂层在切削刀具、精密模具和机械零部件等领域有着广泛的应用。随着切削技术的进步和难加工材料的增多,硬质涂层已由传统的二元涂层向着三元、四元涂层不断发展。(Cr,Ti,Al)N四元涂层因其优异的综合性能而备受研究人员的关注。本文从磁控溅射镀膜的基本原理和技术特点出发,介绍了制备(Cr,Ti,Al)N涂层常见的磁控溅射镀膜技术,分析了采用单质靶与合金靶沉积镀膜的效果及其各自的优缺点,研究了磁控溅射工艺参数对(Cr,Ti,Al)N涂层机械性能的影响,最后讨论了(Cr,Ti,Al)N梯度涂层的作用及其制备方法。本文可为设计(Cr,Ti,Al)N涂层制备工艺、改善(Cr,Ti,Al)N涂层性能提供理论参考与指导。

(Ti,Al)N涂层的微观组织和性能

采用EPMA、XRD、SEM、TEM、HR-TEM、EDX、纳米压痕、氧化实验和切削实验研究了磁控溅射在硬质合金基体上沉积TiN涂层和(Ti,Al)N涂层的微观组织结构和性能。结果表明:TiN涂层晶粒为喇叭口柱状晶,(Ti,Al)N涂层为面心立方平直柱状晶,由于固溶了Al元素,(Ti,A l)N涂层呈(200)面择优生长;(Ti,Al)N涂层在硬质合金基体上无外延生长;(Ti,Al)N涂层在800℃氧化后形成Al2O3/TiO2/(Ti,Al)N的分层结构;(Ti,Al)N涂层具有更高的硬度和更好的切削性能。

Al含量对(Ti,Al)N涂层结构性能的影响

(Ti,Al)N是20世纪80年代未期在TiN基础上发展起来的一种新型多元涂层材料。由于加入Al元素,(Ti,Al)N不但硬度、耐磨性优于TiN,而且大大改善了涂层的抗高温氧化性能。综述了Al元素在(Ti,Al)N涂层中的作用机理,以及Al含量对(Ti,Al)N涂层的晶体结构、抗高温氧化、硬度和耐磨性的影响。指出当Ti和Al的比例近似为1:1时,(Ti,Al)N涂层将获得优越的综合使用性能。

射频磁控溅射(Ti,Al)N薄膜性能的研究

采用射频磁控溅射,用Al靶和Ti靶同时溅射沉积(Ti,Al)N薄膜。研究表明:不同Al靶功率沉积的薄膜中始终存在面心立方结构(B1型),当Al靶功率大于250 W薄膜中面心立方结构(B1型)和六方结构(B4型)共存。随Al成分的增加,B1型结构晶格常数减小,薄膜择优取向由B1型(111)向B4型(002)转变。薄膜表面随Al靶功率增加分别呈岛状、纤维状和柱状增长。(Ti,Al)N薄膜的硬度随Al靶功率的增加呈上升趋势。等离子体发射光谱分析显示,在相同工艺条件下Al靶比Ti靶先进入非金属态溅射模式,导致在相同功率下Al溅射速率低于Ti溅射速率。

电弧离子镀(Ti,Al)N复合薄膜的结构和性能研究

利用电弧离子镀设备在1Cr11Ni2W2MoV不锈钢基体表面沉积了不同成分的(Ti1-xAlx)N薄膜;X射线衍射分析表明,x在0-0.5之间时,薄膜是B1型(NaCl)单相结构;x=0.64时,同时出现B1和B4型(ZnS)两种相结构,x≥0.79时,只出现B4型结构;随着Al含量的增加,晶格常数减小,B1结构的薄膜择优取向由(111)向(220)转变.力学性能测试表明,适当Al含量可以提高薄膜的硬度、膜基结合强度及抗磨损性能; B1结构(Ti,Al)N薄膜的氧化实验表明,随着Al含量的增加,薄膜抗氧化性能显著提高.

磁控双靶反应共溅射(Ti,Al)N薄膜的研究

采用磁控双靶反应共溅射技术制备出了(Ti0.5Al0.5)N耐磨硬质薄膜,其显微硬度高于35GPa,摩擦系数小于0.18。实验结果表明当N2流量较低时,(Ti,Al)N薄膜结构和性能随N2流量变化明显;当N2流量较高时,薄膜结构和性能变化缓慢。等离子体发射光谱仪(PEM)对磁控反应溅射过程监测结果表明,钛铝原子与氮原子反应存在一个临界点,低于临界点,磁控反应溅射为金属态溅射模式,高于临界点,磁控溅射向非金属态溅射模式转变,溅射速率降低。

PVD法制备(Ti,Al)N涂层中残余应力对其质量的影响

在国产离子镀和空心阴极离子镀复合镀膜机上,通过改变脉冲偏压值制备了(Ti,Al)N涂层。用X射线衍射仪对涂层的相组成进行了检测分析,并通过测得的衍射谱线计算了(Ti,Al)N涂层中的残余应力值;扫描电镜观察涂层表面微观形貌显示涂层表面存在"大颗粒"现象;用材料表面微纳米力学测试系统检测了涂层与基体间的结合力和涂层的硬度值。对涂层中残余应力与质量和性能之间关系的研究分析表明:(Ti,Al)N涂层中存在着残余压应力,且随脉冲偏压值的增加其值有先减小后增大的趋势;涂层中"大颗粒"现象随脉冲偏压值的提高能够显著得到减轻,涂层与基体间结合力得到提高,涂层的硬度值增大,涂层质量和力学性能均得到改善。

直流磁控溅射沉积（Ti，Al）N膜的研究

研究了用直流磁控反应性溅射法在Ａｒ＋Ｎ２气氛中沉积（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜的工艺。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜具有比ＴｉＮ膜高的耐磨性、硬度和高温抗氧化性。ＡＥＳ深度分析表明，由Ａｌ的选择性氧化形成的Ａｌ２Ｏ３保护层，是（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜具有优良高温抗氧化性能的原因．

TiN涂层电化学腐蚀行为研究 Ⅱ.添加Al对TiN涂层保护性能与失效机制的影响

利用电化学方法以及扫描电镜 (SEM)、扫描隧道显微镜 (STM )技术等 ,研究了添加Al对离子镀TiN薄膜涂层在 0 5mol/LNaCl和 1mol/LH2 SO4溶液中的保护性能和失效机制的影响 ,发现铝的添加使TiN涂层在中性和酸性溶液中的耐蚀性能明显改善 .

SiC颗粒增强铝基复合材料基材上制备(Ti,Al)N涂层的研究

利用电弧离子镀技术在SiCp/2024Al基体上制备(Ti,Al)N涂层.研究了偏压对涂层的相组成、晶格常数和成分的影响及不同过渡层对涂层与基体结合性能的影响.结果表明,在较小偏压下, (Ti,Al)N涂层呈(111)择优取向;偏压在-150 V时,涂层无择优取向;但随偏压继续升高,出现(200)和(220)择优取向.在添加Ti过渡层时,涂层与基体形成致密均匀的良好结合.同时通过设计梯度涂层,获得了厚度达105μm的无裂纹(Ti,Al)N涂层.

多弧离子沉积（Ti，Al）N薄膜的结构与形貌

对在多弧离子镀膜机上采用Ｔｉ／Ａｌ机械复合靶沉积出（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜的组织形貌与结构进行了分析，结果表明，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜具有（１１１）晶面的择优取向，仍保持着ＴｉＮ的结构特征，但（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ晶面间距小于ＴｉＮ的晶面间距．没有ＡｌＮ相出现，这是ＴｉＮ相优先于ＡｌＮ相形成的缘故。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ薄膜上分布有针孔和三种不同形貌液滴颗粒。

反应磁控溅射法制备(Ti,Al)N薄膜的力学性能

采用镶嵌靶反应磁控溅射技术,通过调节氮分压及基体偏压在M2高速钢基体表面制备了一系列耐热的(Ti,Al)N硬质薄膜,并用XRD,EDS及纳米压入法、划痕法等方法研究了(Ti,Al)N薄膜的成分、相结构与力学性能的关系。结果表明,氮分压和基体偏压对(Ti,Al)N薄膜取向及Ti、Al、N原子含量有明显影响,从而导致薄膜硬度及膜基结合性能发生变化。研究中,在氮分压为33.3×10-3Pa、基体偏压为-100V时制备的(Ti,Al)N薄膜力学性能最优,其纳米硬度为43.4GPa,达到40GPa超硬薄膜的要求。

添加Y对炮钢表面电弧离子镀(Ti,Al)N薄膜氧化性能的影响

利用电弧离子镀技术,在炮钢表面沉积TiAlN和TiAlYN两种薄膜,研究添加1%(原子分数)Y对(Ti,Al)N薄膜氧化性能的影响。两种沉积薄膜的样品在空气中850℃下氧化10h,用SEM、EDAX和XRD分别分析两种薄膜的形貌、成分及相组成。结果表明,在空气中850℃下氧化10h后,两种薄膜的氧化产物均为Al2O3和TiO2的混合氧化物;TiAlN薄膜的动力学曲线呈近似直线规律,而TiAlYN薄膜动力学曲线符合抛物线规律;前者表面氧化物晶粒粗大,而后者表面氧化物晶粒细小,且氧化膜厚度不足前者的一半;添加Y可以减少膜层表面液滴的数量,提高膜层的抗氧化性能。

电弧离子镀梯度(Ti，Al)N薄膜的结构与抗氧化性能

采用电弧离子镀(AIP)技术在航空发动机压气机用1Cr11Ni2W2MoV不锈钢上沉积(Ti,Al)N梯度薄膜,并研究其微观结构和高温抗氧化性能。结果表明,薄膜均匀致密,与基体结合良好;薄膜为B1型(NaCl)单相结构,具有(220)择优取向;薄膜是内层富TiN、外层富(Ti,Al)N的梯度薄膜;梯度薄膜在700℃和800℃氧化后,表层形成富Al2O3的保护膜,在700℃较长时间内和800℃短时间内对不锈钢基体具有良好的保护作用。

真空阴极电弧沉积(Ti,Al)N薄膜的应用研究

为了提高TiN涂层刀具的耐磨性 ,采用钛铝合金靶 ,以真空阴极电弧沉积法制备了(Ti,Al)N涂层。对膜层形貌成分、组织结构及硬度进行了测试及研究 ,并试验了 (Ti,Al)N涂层高速钢钻头及YG6硬质合金刀具的使用寿命。结果表明 :(Ti ,Al)N涂层硬度高达HV0 .1,15370 0 ,(Ti,Al)N涂层使高速钢钻头及YG6硬质合金刀具的使用寿命显著提高。

A1含量对(Ti,Al)N膜结构性能影响的研究进展

综述了Al元素在(Ti,Al)N膜中的作用机理和Al含量对(Ti,Al)N膜结构、抗高温氧化、硬度、耐磨性、结合强度等的影响,指出了(Ti,Al)N膜的发展方向。

Si含量对Ti-Al-Si-N薄膜微结构与力学性能的影响

采用多靶反应磁控溅射技术制备了一系列不同Si含量的Ti-Al-Si-N复合膜。采用能谱仪、X射线衍射仪、三维轮廓仪、原子力显微镜和显微硬度仪对薄膜进行表征,研究了Si含量对Ti-Al-Si-N复合膜微结构和力学性能的影响。结果表明:用Ti0.33 Al0.67合金靶制备的Ti-Al-N复合膜呈双相共存结构(fcc+hcp),Si的加入,促进了六方相的生长,细化了晶粒,降低了表面粗糙度。随着Si含量的增加,Ti-Al-Si-N复合膜的硬度逐渐增大,在Si含量为16.69 at%时,达到最大硬度32.3 GPa,继续增加Si含量,薄膜硬度降低。

氮气流量、基体温度对反应溅射(Ti,Al)N成膜影响

采用反应直流磁控溅射的方法 ,通过控制基体温度和N2 /Ar流量比 ,在WC 6%Co基体表面上成功地制备了 (Ti,Al)N薄膜。用AFM、XRD、显微硬度测试仪对薄膜的显微形貌、成分、显微硬度进行了测试。结果表明 ,在N2 /Ar流量比较低时薄膜存在明显的(Ti ,Al)N的 ( 111)织构 ,随着N2 /Ar流量比的增大 ,这种 ( 111)织构逐渐变弱 ,薄膜显微形貌发生较明显的变化 ,显微硬度也随之变化 ;N2 /Ar流量比超过某一门槛值时不能生成 (Ti,Al)N ;在一定范围内 ( 2 5 0～ 40 0℃ ) ,温度对薄膜质量的影响不是很明显。

(Ti,Al)N镀层的结构及氧化行为

介绍了一种新型防护镀层—— (Ti,Al)N镀层 .镀层中铝含量对薄膜的化学成分、微观结构 (相组成， 结构取向， 致密性等 )、力学性能及抗氧化性能的影响明显 .综合 (Ti1－ xAlx)N薄膜的力学性能和抗氧化性能得出， 铝含量大于 25％时， 可得到性能较优的薄膜 .

Ti-Al-N薄膜的性能及应用

利用多弧离子沉积技术在 W18Cr4V高速钢表面沉积 (Ti,Al) N薄膜 ,实验结果表明 (Ti,Al) N薄膜的硬度和抗氧化性能明显优于 Ti N薄膜 ,(Ti,Al) N膜层刀具的寿命大大高于 Ti