TiAlN硬质薄膜的制备工艺及结构性能研究进展

硬质TiAlN薄膜作为最有前途的TiN薄膜替代材料,具有比TiN薄膜更高的硬度、低摩擦因数、良好的高温稳定性和耐腐蚀性等优异性能,在石油、刀具、模具、电力、航空发动机等领域得到广泛应用。本文综述了TiAlN薄膜近年来国内外的应用及发展情况,着重阐述了TiAlN薄膜的制备方法,以及工艺参数对TiAlN薄膜性能的影响。同时对TiAlN硬质涂层的结构和性能进行了全面介绍,指出了TiAlN硬质薄膜性能优化的方法,并对TiAlN硬质薄膜的研究以及应用方向进行了展望。TiAlN硬质薄膜会随着科研人员的进一步深入研究以及应用的需求向复合化、多元化、纳米多层结构方向发展。

硬质合金表面预处理状态对TiAlCrSiN/TiAlN涂层结构与机械性能的影响

采用电弧离子镀工艺在不同预处理后的硬质合金表面制备TiAlCrSiN/TiAlN涂层,采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、压痕法等研究硬质合金表面形态和涂层结构、力学性能和结合强度。结果表明:抛光处理后的硬质合金表面十分平整,表面粗糙度低至7.7 nm。酸洗处理使硬质合金表层Co相溶解而暴露出更多的硬质相,表面粗糙度增大,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在酸洗处理的硬质合金上生长速率增大,晶粒细小,硬度和弹性模量高,但硬模比较低。喷砂处理使Co相塑性变形而包络更多的硬质相,表面粗糙度大幅增加,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在喷砂处理的硬质合金上生长速率稍降低,晶粒粗大,硬度和弹性模量小,但硬模比较高。酸洗+喷砂复合处理的硬质合金表面TiAlCrSiN/TiAlN涂层的硬度、弹性模量、硬模比介于两种单独处理方式的之间。

溅射功率对直流磁控溅射TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响

在室温下采用直流磁控溅射技术在304L不锈钢表面制备TiAlN涂层,研究了溅射功率(80,100,120,140,160 W)对TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层由面心立方结构的TiAlN相以及少量TiN和AlN相组成。随着溅射功率的增加,TiAlN涂层变厚,表面晶粒更加致密,但溅射功率160 W下制备的涂层表面大颗粒较多,晶粒尺寸先变小后变大,结合力先增大后减小,平均摩擦因数和比磨损率均整体呈先减小后增大的趋势;溅射功率140 W下制备的涂层具有最小的晶粒尺寸、最强的结合力、最小的平均摩擦因数和比磨损率,磨痕较平整且仅有少量磨屑,磨损机制为轻微的黏着磨损。

不同调制周期TiAlN/VN多层膜的微观结构、力学和摩擦性能研究

为了研究调制周期对TiAlN/VN纳米结构多层膜结构和性能的影响,采用射频磁控溅射的方法,制备一系列不同调制周期对TiAlN/VN纳米结构多层膜.分别利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对薄膜的相结构、截面形貌、硬度和摩擦学性能进行表征.研究结果表明:TiAlN/VN多层膜始终沿(111)面择优生长.随着调制周期的增加,多层膜的硬度表现为先增加后减小,调制周期6 nm时,多层膜硬度最高,为33.12 GPa,分析认为晶格错配引发的交变应力场是多层膜出现“超硬效应”的原因.室温条件下调制周期6 nm时多层膜平均摩擦系数最小,为0.3628;高温635℃时调制周期8 nm对应的多层膜平均摩擦系数最小,为0.2485.

阴极弧蒸发和高功率脉冲磁控溅射TiAlN涂层的性能研究

为对比研究阴极弧蒸发(CAE)和高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)两种工艺对TiAlN涂层结构、硬度、热稳定性及抗氧化性能的影响,本文采用两种方法制备了成分相同的Ti_(0.38)Al_(0.62)N涂层,使用能量色散X射线光谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪分析了涂层的成分、微观结构、力学性能、热稳定性和抗氧化性。两种涂层均呈面心立方结构;CAE涂层呈现大量的“液滴”缺陷,而HiPIMS涂层表面质量更优;CAE涂层硬度(~32.7GPa)略高于HiPIMS涂层(~31.8 GPa);HiPIMS涂层具有更高的热稳定性,CAE涂层在800℃达到硬度最高值~36.2 GPa,而HiPIMS涂层在900℃硬度达到最高~34.3 GPa,且随温度的升高,CAE涂层硬度下降更快。HiPIMS涂层表现出更好的抗氧化性能,在800℃氧化30 h后,CAE和HiPIMS制备的两种涂层的氧化层厚度分别为~630.7 nm和~589.3 nm。

磁控溅射工艺参数对TiAlN薄膜结构和性能影响规律研究

采用XRD、SEM、纳米压痕仪、纳米划痕仪等分析了磁控溅射工艺参数对TiAlN薄膜物相、微观组织、力学性能及结合力的影响规律。结果表明,所有样品生成相均为面心立方的TiAlN,且在(111)晶面择优生长,薄膜表面形成三棱锥状密排晶粒。选定硬度与结合力两个指标对TiAlN薄膜进行评价,通过正交实验发现,硬度与结合力的最优工艺参数均为基底偏压-100 V,工作气压0.3 Pa,溅射电流8 A,氮流量40 sccm。

W掺杂改性TiAlN涂层的微结构及性能研究

为详细研究W元素掺杂对TiAlN涂层的微结构及性能的影响,采用Ti_(40)Al_(60)、Ti_(38)Al_(60)W_(2)和Ti_(36)Al_(60)W_(4)三种靶材制备了Ti_(0.43)Al_(0.57)N、Ti_(0.42)Al_(0.54)W_(0.04)N和Ti_(0._(40))Al_(0.53)W_(0.07)N三种涂层,并使用能量色散X射线光谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕研究W元素掺杂对TiAlN涂层的成分、微观结构、力学性能、热稳定性和抗氧化性的影响。结果表明:三种涂层均呈面心立方结构;W的掺杂对涂层的硬度无明显影响,Ti_(0.43)Al_(0.57)N、Ti_(0.42)Al_(0.54)W_(0.04)N和Ti_(0._(40))Al_(0.53)W_(0.07)N涂层的硬度分别为29.1GPa、29.6GPa和30.1GPa;W的加入提高了涂层的热稳定性,退火过程中涂层完全分解温度由Ti_(0.43)Al_(0.57)N的1200℃上升到Ti_(0._(40))Al_(0.53)W_(0.07)N的1450℃;此外,在850℃氧化10h后,Ti_(0.43)Al_(0.57)N涂层已完全氧化,而Ti_(0.42)Al_(0.54)W_(0.04)N和Ti_(0._(40))Al_(0.53)W_(0.07)N氧化层厚度分别为~0.59μm和~0.53μm。

生物医用Ti6Al4V合金上电弧沉积TiAlN陶瓷涂层的表面、力学和体外腐蚀性能

研究在医用Ti6Al4V合金上采用阴极电弧蒸发沉积制备的纳米晶TiAlN涂层的表面特性和体外腐蚀性能。采用XRD和FE-SEM对其结构和表面形貌进行分析,采用显微压痕法表征其表面的显微硬度,在模拟体液和人工唾液中进行体外腐蚀实验。结果表明:与无涂层合金相比,沉积TiAlN涂层后合金的表面硬度提高,为44.4 GPa,弹性模量为419.9 GPa,塑性变形能力增强,润湿角由(70.61±1.25)°增大到(86.27±2.2)°。生物腐蚀实验表明,沉积TiAlN涂层后,Ti6Al4V合金的腐蚀电位显著正移约150 m V,腐蚀电流密度显著降低约一个数量级,电荷转移电阻提高,证明合金的耐腐蚀性提高。与无涂层的合金相比,沉积TiAlN涂层后合金的表面性能、力学性能和耐腐蚀性能均有所提高。

偏压梯度TiAlN涂层高温氧化与抗高温粒子冲蚀性能

采用连续偏压的沉积工艺与磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面成功制备偏压梯度TiAlN涂层,对涂层的高温氧化性能与抗高温粒子冲蚀性能分别进行了考核,并对考核前后涂层的表面形貌、成分、相结构变化,以及冲蚀损伤特征进行了测试与表征。结果表明,400℃高温氧化后偏压梯度TiAlN涂层表面颜色加深,且保持完整平滑,无明显损伤;偏压涂层表面氧原子分数为20.9%,质量增加为0.81μg/mm^(2),偏压涂层结构更加致密,抑制氧元素向内扩展,抗氧化性能较bias-50 TiAlN涂层更佳。400℃下高温粒子冲蚀条件下,偏压梯度TiAlN涂层在30°与90°冲蚀角度下的冲蚀率分别为0.26 mg/g、0.24 mg/g,低于bias-50 TiAlN涂层,表现出更加优异的抗高温粒子冲蚀性能;在400℃条件下,钛合金基体与TiAlN涂层未发生明显的氧化损伤,高温粒子冲蚀损伤均为冲蚀主导机制。

TiAlN/Cr、TiAlN/CrN和TiAlN/CrAlN多层涂层的热盐腐蚀行为

钛合金的热盐腐蚀问题已引起人们的广泛关注,金属氮化物防护涂层是延长钛合金服役寿命的有效途径.采用多弧离子镀技术在钛合金表面沉积了TiAlN/Cr涂层、TiAlN/CrN涂层、TiAlN/CrAlN-5涂层和TiAlN/CrAlN-10涂层.通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、划痕测试仪、3D激光显微镜等测试手段对比研究了4种多层涂层的热盐腐蚀行为,分析了涂层热盐腐蚀前后的微观形貌和物相成分.结果表明:Al元素的添加和调制周期的优化可以提高涂层的致密性,改善涂层表面质量.其中TiAlN/CrAlN-10多层涂层由于界面密度高,表现出优异的耐热盐腐蚀性能.

偏压梯度TiAlN涂层对TC4钛合金振动与拉伸疲劳性能的影响与机理

目的 探究偏压梯度TiAlN涂层对基体疲劳性能的影响规律和疲劳损伤机理。方法 利用磁过滤阴极真空弧技术和连续改变偏压的沉积工艺,在TC4钛合金表面沉积了偏压梯度TiAlN涂层,并采用扫描电镜、轮廓仪、纳米压痕和划痕仪表征测试了TiAlN涂层的微观结构和内应力、表面硬度、膜基结合力等基本力学性能。对TiAlN涂层试件的振动和拉伸疲劳性能分别进行了考核,通过观察试件疲劳断口形貌,探究了偏压梯度TiAlN涂层/基体的疲劳损伤机理。结果 TiAlN涂层中Al元素含量沿深度方向一直在降低,偏压工艺成功制备出梯度结构涂层。偏压梯度TiAlN涂层的内应力为压缩状态,数值为(2.66±0.23) GPa,显著低于对应恒压涂层(-200V)。偏压梯度TiAlN涂层试件平均振动强度和拉伸疲劳强度分别为370.90、377.90 MPa,前者相对于TC4基体提高了47.7%,后者几乎保持不变。结论 TiAlN涂层内部存在残余压应力,具有一定抗裂纹萌生能力,TC4钛合金表面制备偏压梯度TiAlN涂层后,两种受载类型下的疲劳裂纹源均位于涂层与基体界面处。振动受载时,涂层中梯度结构抑制了裂纹的扩展,疲劳强度提高;拉伸受载时,TiAlN涂层部分发生破碎,抑制裂纹萌生与促进裂纹扩展两种机制同时存在,疲劳强度几乎不变。

TiAlN/CrN多层膜的组织结构及耐蚀性机理

目的研究TiAlN/CrN多层膜及TiAlN、CrN单一膜层的微观组织和电化学性能区别,分析不同结构薄膜材料的耐腐蚀性影响因素。基于电化学参数、组织结构和腐蚀形貌特征,为开发新型腐蚀性薄膜提供理论依据。方法采用多弧离子镀方法,在316不锈钢基底上先沉积150 nm Cr薄膜作为过渡层,然后交替沉积CrN薄膜和TiAlN薄膜,制备单层厚度为10 nm的TiAlN/CrN多层膜。作为对比,制备单一TiAlN、CrN薄膜。通过SEM、XRD表征薄膜断面形貌、组织结构,并分析耐蚀机理,结合极化曲线和阻抗谱对三种涂层进行电化学性能分析,最后对涂层进行浸泡腐蚀试验。结果TiAlN/CrN纳米多层膜为面心立方结构,呈现共格外延生长,且呈(200)择优取向。纳米多层膜的动电位极化曲线测量结果与不锈钢基体和单层薄膜相比,其腐蚀电位正移为−0.36 V,腐蚀电流密度降低为0.501μA/cm^2,极化电阻为120 kΩ·cm^2。阻抗谱试验结果表明,相比较于单层膜和基体,TiAlN/CrN多层膜的CPE值最低,为29.83×10^−6Ω^−1·cm^−2·sn,n值为0.922,电阻为1.50×10^6Ω·cm^2。腐蚀形貌分析可得出,多层薄膜腐蚀后表面形貌与沉积态涂层形貌最为接近,认为其具有较高的耐腐蚀性。结论纳米层状结构改变了单一薄膜的原始生长模式,抑制了粗大柱状晶的生长,减小了薄膜的固有缺陷、晶粒尺寸,对薄膜的耐蚀性有正面积极的作用。

TC11钛合金表面电弧离子镀TiAlN涂层防护性能的研究

利用电弧离子镀技术在TC11钛合金基体上沉积TiA lN涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等方法对比分析了钛合金基体和涂层氧化前后的表面形貌、物相结构。采用X射线光电子能谱仪(XPS)对TiA lN涂层性能进行了分析,研究了基体和镀膜的耐磨性。结果表明,TiA lN涂层显著改善了钛合金的粘着磨损性及高温抗氧化性,在空气中650℃静态氧化100 h后,TiA lN涂层依然保持良好的状态和抗磨损性能。

电弧离子镀TiAlN涂层的热疲劳及抗氧化性能

采用独立的高纯钛、铝靶,在TC4钛合金基材表面以电弧离子镀工艺沉积制备了TiAlN涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)对比分析了钛合金基体和涂层热疲劳及氧化前后的表面形貌,利用能谱仪(EDS)分析了氧化前后的表面成分变化。结果表明,TiAlN涂层表现出很好的热疲劳抗力,显著改善了钛合金的高温抗氧化性。

TiAlN涂层的热残余应力分析

采用有限元方法分析氮铝钛涂层的残余热应力,研究不同的基体及过渡层对残余热应力分布的影响。结果表明:当基体为硬质合金时,涂层内以拉应力为主,而基体为不锈钢时,涂层内以压应力为主;增加过渡层可以使涂层内的残余应力减少40%以上;硬质合金基体中涂层的拉应力随基体钴含量和涂层厚度的增加而减少;无过渡层时,不锈钢基体存在明显的塑性约束区,有过渡层时,随着界面应力的减少,塑性约束区明显减小或消失。因此,通过不同的涂层和基体搭配可以改善应力场,同时增加过渡层可以缓和界面应力和增强界面结合力。

分离靶电弧离子镀制备TiN/TiAlN多层薄膜的微观结构和力学性能(英文)

采用分离靶电弧离子镀制备TiN/TiAlN多层薄膜。为了减少大颗粒的不利影响,利用直线型磁过滤方法来减少低熔点铝靶产生的大颗粒。结果表明,没有过滤的钛靶和磁过滤的铝靶等离子体到达基体的输出量在相同的数量级,同时,采用该方法制备的薄膜中的大颗粒数目是文献中报道的合金靶制备的薄膜大颗粒数目的1/10～1/3。Al元素的添加引起薄膜在(200)晶面的峰值降低,而在(111)和(220)晶面的峰值增强。TiN/TiAlN多层薄膜的最大硬度为HV2495,薄膜的硬度增强符合混合法则,结合力达75 N。

电弧离子镀TiAlN和TiAlSiN涂层的高温摩擦磨损行为

采用电弧离子镀技术在高速钢和单晶硅上沉积TiAlN和TiAlSiN涂层,利用高温摩擦磨损试验机考察两种涂层在常温、400℃和600℃下的摩擦磨损行为。通过光学轮廓仪观察涂层磨损后三维形貌和二维磨痕轮廓曲线,利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析磨痕、摩擦副的微观形貌以及元素分布,研究Si元素的加入对TiAlN涂层高温摩擦磨损性能的影响。结果表明:TiAlN、TiAlSiN涂层在600℃摩擦稳定后的摩擦因数最低,其次是在400℃,常温下的摩擦因数最高;TiAlN涂层在常温下摩擦完后已经磨穿失效,而TiAlSiN涂层在600℃摩擦完后才失效。粘着磨损和氧化磨损主要存在于TiAlN涂层摩擦过程中,TiAlSiN涂层常温下主要磨损形式为磨粒磨损、粘着磨损以及塑性变形导致的鱼鳞状裂纹,400℃下为粘着磨损和氧化磨损,600℃下为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。

TiN/TiAlN涂层的断裂韧性研究

采用多弧离子镀技术在Ti(C,N)基和WC基金属陶瓷基体上沉积了TiN/TiAlN涂层,利用维氏硬度计对涂层进行压痕试验;通过测试压痕周围的裂纹长度和数目,用裂纹密度β来评价涂层的断裂韧性。结果表明,Ti(C,N)基金属陶瓷基体上TiN/TiAlN涂层的裂纹密度为4558,比WC基金属陶瓷基体上涂层的裂纹密度低。TiN/TiAlN涂层的压痕形貌中,涂层没有剥落,只有沿压痕应力角径向显微裂纹和压痕四周的侧向显微裂纹,不同基体其压痕裂纹特点也不同。Ti(C,N)基金属陶瓷基体上涂层的径向裂纹非常短,并有裂纹偏转现象,侧向裂纹很长。WC基金属陶瓷基体上涂层的径向裂纹很长,非常平直,侧向裂纹很短。

TiAlN涂层往复滑动的摩擦学性能研究

为研究硬质合金表面沉积的TiA lN涂层的摩擦学行为,在不同介质(干态、乳化液、冷却油)条件和试验参数(法向载荷和位移幅值)下,进行了往复滑动摩擦磨损试验。在动力学分析基础上,结合光学显微镜(OM)、激光共焦扫描显微镜(LCSM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDS)等微观分析手段对摩擦学性能进行了研究。结果显示:在同样条件下,涂层在试验初期的摩擦因数较小;法向载荷增大,涂层的摩擦因数降低,而位移幅值对涂层摩擦因数的影响不明显;基体的磨损机制主要为磨粒磨损,而涂层剥落是剥层和氧化磨损共同作用的结果;在润滑条件下,涂层的摩擦学性能得到了很大的改善,使涂层寿命得到显著延长,其中冷却油的效果最明显。

TiAlN/AlON纳米多层涂层的微观结构和力学性能研究

通过磁控溅射制取一系列不同AlON厚度的TiAlN/AlON纳米多层涂层,并用X射线衍射、扫描电镜、高分辨透射电镜和纳米压痕仪分别对微观结构和力学性能进行表征和测量。研究表明:非晶态的AlON在厚度约小于1 nm时,在TiAlN模板作用下转变为晶体结构,并与TiAlN呈共格外延生长,出现超硬效应,当AlON厚度为0.7 nm时,硬度和弹性模量分别最高可达38.1 GPa和385.6 GPa。当AlON厚度超过1 nm时,逐渐转变为非晶结构并且破坏了多层涂层的共格外延生长,硬度随之降低。因此利用这种机制可以制备出力学性能好、耐高温氧化性的刀具涂层,满足现代切削的需要。