多弧離子鍍制備Ti-,1-x-Al-,x-N薄膜的工藝及其性能研究.pdf

1、多弧離子鍍技術(shù)作為物理氣相沉積的一種方法，尤其適合于在金屬表面制備各種金屬化合物薄膜或高熔點(diǎn)金屬膜層，因此自上世紀(jì)80年代以來得到了迅猛的發(fā)展，成為目前最先進(jìn)的鍍膜技術(shù)之一。 目前工模具表面硬化涂層主要以TiN為主，各種技術(shù)制備TiN薄膜的研究有很多，并已投入進(jìn)了工業(yè)應(yīng)用，但是TiN的抗氧化溫度不高(550℃)，在特殊環(huán)境的使用過程中容易氧化失效。人們發(fā)現(xiàn)在TiN中添加其它元素(Cr、Al、Zr、C、Si等)，或者進(jìn)行多層化(T

2、iN/Ti、TiN/VN、TiN/CrN等)處理都可以有效改善涂層性能，目前針對(duì)TiN的研究一般集中在這兩個(gè)方向。 TiAlN膜層具有優(yōu)良的高溫耐蝕和抗氧化性能，而且具有比TiN更高的硬度及更加優(yōu)良的耐磨性能，作為耐磨膜層具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本論文采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼W18Cr4V基材上制備了TiAlN膜層，并對(duì)TiAlN薄膜的性能做了初步探討。 論文研究了沉積工藝參數(shù)如N2分壓、鋁靶電流、負(fù)偏壓和沉積溫度等對(duì)

3、膜層性能的影響規(guī)律；還重點(diǎn)研究了A1含量對(duì)薄膜的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)(相組成、織構(gòu)取向、致密性等)、力學(xué)性能(硬度、膜基結(jié)合強(qiáng)度、摩擦磨損性能等)、耐蝕性及抗氧化性能的影響。 研究結(jié)果表明：Ti靶電流80A，Al靶電流70A、基體溫度550℃(高速鋼)、負(fù)偏壓100V、氮?dú)夥謮?Pa、沉積時(shí)問60min時(shí)TiAlN薄膜具有最佳的綜合性能。 在此工藝下沉積的Ti1-xAlxN涂層，除(Ti,Al)N相外，還含有一定量的(Ti

4、2,Al)N相，不同Al含量的(Ti,Al)N都具有沿(111)面的擇優(yōu)取向。Ti1-xAlxN涂層的硬度、結(jié)合強(qiáng)度和耐磨損性能都隨Al含量的增加先升高后降低，這是由于薄膜中Al含量的變化引起薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、擇優(yōu)取向的變化和晶格畸變等因素造成的，且各自最大值對(duì)應(yīng)的Al含量相同，當(dāng)Al含量在25﹪左右的(Ti,Al)N薄膜硬度達(dá)到HV0.052780，耐磨性能良好，結(jié)合強(qiáng)度高，具有最佳的綜合性能。 薄膜腐蝕試驗(yàn)和極化曲線表明，(T

5、i,Al)N涂層比TiN涂層具有更好的抗腐蝕能力?？寡趸阅茉囼?yàn)證明，TiAlN薄膜具有比TiN薄膜更優(yōu)異抗氧化性能。隨Al含量的變化，Ti1-xAlxN抗氧化性能發(fā)生變化。當(dāng)Al含量超過一定值時(shí)(≥25﹪)，在800℃抗氧化性能明顯提高。薄膜的抗氧化機(jī)理是Al原子擴(kuò)散至表面形成Al2O3氧化層保護(hù)薄膜，對(duì)氧化膜/氮化膜界面內(nèi)的擴(kuò)散起阻礙作用，從而防止了氮化膜的進(jìn)一步氧化。綜合Ti1-xAlxN薄膜的力學(xué)性能以及耐蝕、抗氧化性能，Al含