电弧/溅射复合沉积技术的发展及其在刀具涂层中的应用

通过电弧/溅射复合技术沉积刀具涂层,不仅可以规避单一沉积技术的固有缺陷,拓宽材料的选择范围,且其纳米多层结构能够有效结合不同组元的特性,协同提升涂层性能,有望为难加工材料的切削提供高性能涂层解决方案。首先对电弧/溅射复合技术的发展历史进行了回顾,概述了早期"ArcBond Sputtering"技术凭借多功能阴极弧源实现同一靶材在电弧与溅射两种沉积模式的自动切换,有效结合不同沉积技术的优势。在此基础上,重点综述了近年国内外研究机构及企业应用端关于复合沉积技术在刀具涂层领域的研究进展,包括利用电弧/溅射复合沉积制备高硬度纳米复合结构涂层;通过磁控溅射拓宽靶材成分的选择范围,电弧层与溅射层交替沉积制备具有摩擦自适应性的纳米多层刀具涂层;设计从底层电弧支持层向顶层非晶功能层过渡的涂层结构,采用高功率脉冲磁控溅射沉积非晶层(例如SiBCN与TiB_2),打断电弧层柱状晶的连续生长,涂层表现出致密的结构与优异的高温性能。此外,还总结了笔者对电弧/溅射复合沉积AlTiN以及AlTiN/AlCrN涂层的性能研究。最后,对国内复合沉积刀具涂层的应用前景以及尚待解决的科学问题进行了总结与展望。

NiCoCrAlY/NiCoCrAlYN涂层的腐蚀磨损行为

目的在中碳钢表面制备金属+氮化物涂层以研究其在腐蚀、磨损耦合环境下的服役行为。方法利用电弧离子镀技术在42CrMo钢基体表面制备NiCoCrAlY/NiCoCrAlYN双层涂层,通过改变氮气流量来调控涂层中氮元素含量。采用显微硬度计以及特制的腐蚀磨损试验机,同时结合XRD、XPS、SEM等各类表征技术研究涂层力学及腐蚀磨损行为。结果NiCoCrAlYN涂层物相主要为γ-Ni、γ'-Ni_(3)Al、fcc-CrN和fcc-AlN。随着N_(2)流量的逐步引入,涂层中CrN/AlN陶瓷相含量增加,显微硬度从575HV_(0.05)逐渐提升至730HV_(0.05),而结合力等级从HF 2下降至HF 3。NiCoCrAlY/NiCoCrAlYN双层涂层比NiCoCrAlY单层涂层具有更佳的腐蚀磨损性能,且随着N含量的增加而显著提升。当N2流量为400 mL/min时,涂层显示出最佳的腐蚀磨损性能。此外,涂层的失效形式也由磨损失效逐渐转变为腐蚀失效。结论由于氮化物表层的高硬度特性增强了涂层耐磨性,NiCoCrAlY-NiCoCrAlYN界面的阻挡作用提高了涂层耐蚀性,加之底部NiCoCrAlY层具有良好的韧性和延展性,三者的综合作用导致NiCoCrAlY/NiCoCrAlYN双层涂层的腐蚀磨损性能优于NiCoCrAlY单层涂层。

电弧离子镀CrTiN涂层的结构及耐腐蚀性能

采用电弧离子镀技术在模具钢H13表面沉积Cr_(x)Ti_(1-x)N涂层,系统研究了不同Cr/Ti原子比对CrTiN合金化涂层结构、力学性能以及耐腐蚀性能的影响。结果表明:通过改变分离靶弧流实现CrTiN涂层中Cr/Ti原子比的有效调控,所制备的CrTiN涂层主要由面心立方结构(Cr,Ti)N和CrN组成,随着Cr/Ti原子比从1.1增加至1.8,涂层相结构由随机取向向(111)晶面优先生长转变。CrTiN合金化涂层显微硬度较CrN涂层得到明显提升,并随着固溶引起的晶格畸变程度变化而具有一个极大值。通过电化学阻抗谱和动电位极化曲线分析,当Cr/Ti原子比为1.4时,致密的Cr_(0.59)Ti_(0.41)N涂层具有最佳的耐腐蚀性能。