磁控濺射法TiAlCN系涂層制備及其結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、為了滿足復(fù)雜條件下工業(yè)應(yīng)用需求，綜合性能優(yōu)異的通用性涂層具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。TiN、TiCN和TiAlN約占刀具涂層應(yīng)用的90％，但各自缺點(diǎn)限制了應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。TiAlCN有望兼有三種涂層的優(yōu)點(diǎn)，成為新一代通用型涂層。然而，四元TiAlCN涂層成分多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其沉積過(guò)程、結(jié)構(gòu)和性能缺乏深入了解。理論認(rèn)識(shí)不足又限制了該涂層在工業(yè)應(yīng)用的深入推廣。因此，開(kāi)展TiAlCN涂層工藝系統(tǒng)性、理論性研究，具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值

2、。針對(duì)這種現(xiàn)狀，筆者從TiN涂層出發(fā)，系統(tǒng)地研究了TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN涂層成分、組織結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)性能（結(jié)合性能、力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和抗氧化性等）之間相互聯(lián)系，并對(duì)其內(nèi)在相關(guān)性進(jìn)行理論解釋。 TiN涂層擇優(yōu)生長(zhǎng)演變規(guī)律與力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，低氮分壓（0．033 Pa）條件下，隨沉積時(shí)間增加，涂層由（200）擇優(yōu)生長(zhǎng)向（111）擇優(yōu)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變；高分壓（0．25 Pa）條件下，涂層始終保持（200）擇優(yōu)生

3、長(zhǎng)，不隨沉積時(shí)間改變。低溫低功率（300℃，100 W）條件或高溫高功率（550℃，200 W）條件，氮分壓（或氮流量）變化都使涂層發(fā)生無(wú)擇優(yōu)取向-（111）擇優(yōu)取向-（200）擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變。在200 W功率0．24 Pa氮分壓條件，TiN涂層在低偏壓（0 V～-50 V）條件下保持（111）擇優(yōu)取向；在高偏壓（-100 V）條件下，TiN涂層擇優(yōu)取向程度降低，晶粒明顯細(xì)化，硬度上升至1900 Hv以上。經(jīng)熱處理，高偏壓條件沉積涂層的硬

4、度和韌性隨溫度上升而不斷下降，其中800℃條件下，涂層硬度下降至900 Hv。這說(shuō)明除了細(xì)晶結(jié)構(gòu)，壓應(yīng)力對(duì)TiN涂層的硬度貢獻(xiàn)明顯。 脈沖非平衡反應(yīng)磁控濺射沉積TiCN涂層，發(fā)現(xiàn)C元素添加導(dǎo)致涂層晶粒明顯細(xì)化，涂層硬度在25％C含量達(dá)到最高值26 GPa。過(guò)量的C含量使涂層向非晶結(jié)構(gòu)發(fā)展，并使涂層硬度逐漸下降，最低可至18 GPa（60％C）。低碳涂層（0～35％C），碳含量增加可明顯減小涂層摩擦系數(shù)，增加涂層硬度，從而增強(qiáng)Ti

5、CN涂層抗磨損性能；高碳涂層（40％～60％C），碳含量對(duì)涂層摩擦系數(shù)沒(méi)有明顯影響，但會(huì)導(dǎo)致硬度和結(jié)合力下降，磨損機(jī)制由犁削轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀剝離，削弱了涂層的抗磨損性能。 脈沖非平衡反應(yīng)磁控濺射沉積TiAlN涂層，發(fā)現(xiàn)Al元素添加也導(dǎo)致了TiN涂層晶粒明顯細(xì)化，促進(jìn)致密結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。17％Al含量可使TiN涂層由14 GPa升至26 GPa。不同于TiCN涂層，17％～30％Al含量TiAlN涂層的硬度波動(dòng)于26 GPa～27 GPa范圍

6、，形成高硬度平臺(tái)區(qū)而非峰值。更高Al含量導(dǎo)致酥松結(jié)構(gòu)，硬度也回落至16 GPa。Al的添加削弱了涂層的韌性，導(dǎo)致了涂層Rockwell壓痕邊緣出現(xiàn)輻射裂紋，以及磨損表面出現(xiàn)八字形裂紋。Al含量增加，涂層摩擦系數(shù)先增后減，在25％Al含量達(dá)到峰值0．6。低Al涂層的高硬度和氧化層覆蓋增加其抗磨損能力，而涂層開(kāi)裂和剝離導(dǎo)致高Al涂層抗磨損能力下降。 脈沖非平衡反應(yīng)磁控濺射沉積TiAlCN涂層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)C含量為10％～15％，Al/Ti

7、靶功率比在0．14～1．78范圍，可獲得致密的TiAlCN涂層。Al/Ti靶功率比小于1．2，涂層由TiN相構(gòu)成；Al/Ti靶功率比大于1．47，涂層物相轉(zhuǎn)變?yōu)锳lN相。涂層硬度隨Al/Ti靶功率比變化先增加后減小。在Al/Ti靶功率比0．5時(shí)，獲得最高涂層硬度32．5 GPa，過(guò)高的靶功率比（如1．78），硬度降低至13 GPa。Al含量增加使涂層摩擦系數(shù)由2．5（2．08％Al）上升至7．5（36．35％Al）。由于高硬度和低摩擦系

8、數(shù)，低鋁涂層（2．08％Al～17．17％Al）磨損率較小，約8x10-6μ㎡/N·m～13．8×10-6μ㎡/N·m；而低硬度和高摩擦系數(shù)使高鋁涂層（29．94％Al～45．49％Al）磨損率明顯增加至40×10-6μ㎡/N·m～85×10-6μ㎡/N·m。 對(duì)于直流平衡反應(yīng)濺射法制備的TiAlCN涂層，碳的添加使碳原子從單一固溶態(tài)逐漸成為非晶碳相或富碳相，導(dǎo)致涂層發(fā)生柱狀晶結(jié)構(gòu)-納米晶結(jié)構(gòu)-非晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，（111）擇優(yōu)取向

9、轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)擇優(yōu)取向。隨碳含量增加，涂層硬度先升后降。C含量為26．69％時(shí)涂層獲得峰值2400 Hv，涂層結(jié)構(gòu)為T(mén)iAlCN/a-C納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。碳含量增加不利于涂層結(jié)合性能，特別對(duì)于高碳涂層（38％C～75％C）。臨界載荷由25 N下降至13 N。碳的添加明顯降低低碳涂層（<26．69％C）的摩擦系數(shù)，但對(duì)高碳涂層（>26．69％C）摩擦系數(shù)降低作用不明顯。首次開(kāi)展TiAlCN涂層熱穩(wěn)定性和抗氧化性的研究。經(jīng)Ar氣氛熱處理，TiAlCN

10、涂層硬度在500℃～700℃出現(xiàn)硬度上升現(xiàn)象，更高熱處理溫度導(dǎo)致硬度明顯下降。經(jīng)氧化試驗(yàn)，優(yōu)化后TiAlCN納米復(fù)合涂層最高抗氧化溫度可達(dá)700℃。綜合分析，TiAlCN/a-C納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層（26．69％C）具有最佳的綜合性能。 氮流量對(duì)涂層結(jié)構(gòu)和性能影響研究發(fā)現(xiàn)，氮流量增加有利于涂層晶粒細(xì)化。同時(shí)調(diào)節(jié)碳含量和氮流量，可以獲得一系列納米或納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，相對(duì)于微晶結(jié)構(gòu)和非晶結(jié)構(gòu)涂層，納米或納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層具有更好的硬度和韌

11、性。 在反應(yīng)磁控濺射Berg模型的基礎(chǔ)上，首次建立了三元馬賽克復(fù)合靶反應(yīng)磁控濺射模型，用以模擬和預(yù)測(cè)沉積參數(shù)對(duì)涂層成分變化的影響。模擬結(jié)果證實(shí)，涂層碳含量和靶材石墨比呈非線性變化，涂層碳含量變化對(duì)高石墨比例靶材更加敏感，敏感程度隨氮分壓的增加而增大。對(duì)同一靶材（Ti/Al體積比為2：1），氮分壓可明顯改變涂層中Al/Ti比。隨氮分壓增加，Al/Ti比先快速增加，后緩慢減小，波動(dòng)范圍為1．1～1．25。模擬氮分壓對(duì)涂層各成份的影響

12、，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)對(duì)碳成分、氮成分以及高氮分壓條件下鈦鋁成份的模擬具有較好的準(zhǔn)確性。 通過(guò)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析了TiN涂層和TiAlCN涂層擇優(yōu)取向演變內(nèi)在機(jī)理。分析認(rèn)為，氮分壓變化引起的TiN涂層（200）面表面化學(xué)勢(shì)變化是涂層（111）-（200）取向轉(zhuǎn)變的主要原因。氮分壓對(duì)TiN表面激活能、Ehrlich能壘和臺(tái)階形成能的影響導(dǎo)致了涂層表面晶體形貌的變化。低氮分壓條件，（200）和（111）取向的晶粒在形核和生長(zhǎng)過(guò)