添加Cu對PVD AlTiN涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

潘晨曦，陳康華，徐銀超, ，王云志，祝昌軍，陳浩

?

添加Cu對PVD AlTiN涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

潘晨曦1, 2，陳康華1, 2，徐銀超1, 2, 3，王云志3，祝昌軍1, 2，陳浩1, 2

(1. 中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙410083；2. 有色金屬先進材料協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410083；3. 株洲鉆石切削刀具股份有限公司，株洲412000)

采用陰極弧蒸發(fā)離子鍍在硬質(zhì)合金刀具基體上分別沉積AlTiN和AlTiN-Cu涂層。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、納米壓痕儀等分析測試手段研究涂層形貌、組織結(jié)構(gòu)和力學性能的影響規(guī)律，并對兩種涂層刀具的切削性能進行研究。結(jié)果表明：Cu元素以單質(zhì)的形式存在于AlTiN涂層中，Cu的添加使涂層晶粒由柱狀晶轉(zhuǎn)變成等軸晶，細化了涂層晶粒，使涂層的擇優(yōu)取向由(111)面變成(200)面；涂層的納米硬度由29.01 GPa降低到22.04 GPa，彈性模量由347.10 GPa降低到268.25 GPa。Cu元素的添加使AlTiN涂層刀具切削鈦合金壽命提高了約36%。

AlTiN；Cu；PVD；陰極弧離子鍍；納米涂層

刀具是影響現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的一個重要因素，隨著加工材料性能的不斷提升和對加工質(zhì)量的要求越來越高，人們對切削刀具的性能提出了更高的要求。改進涂層性能是提高切削刀具性能的重要途徑之一[1]。超硬納米涂層由于具有晶粒小，硬度高，耐磨性好等特點越來越受到關(guān)注，成為研究的熱點[2]。超硬納米涂層可分為兩類[3]：一類是nc-MeN/硬質(zhì)相(a-Si3N4、a-TiB2等)，另一類是nc-MeN/軟質(zhì)相(Cu，Ni，Ag等)，其中Me是Ti，W，Zr，Cr，Mo，Al等元素，形成納米氮化物。AlTiN涂層是在TiN涂層基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型涂層，具有硬度高、抗氧化性能優(yōu)異、耐磨性好等特點，廣泛應(yīng)用于高速切削領(lǐng)域[4]。但是，脆性大以及高內(nèi)應(yīng)力一直是AlTiN涂層迫切需要解決的問題[5]，AlTiN基涂層性能需要進一步改善和提高。已有研究發(fā)現(xiàn)[6?8]，在AlTiN涂層中添加Cu能有效地提高AlTiN的硬度、降低摩擦系數(shù)和提高切削壽命。添加Cu有2種形式：一種是形成單獨的Cu層，另一種是Cu顆粒彌散分布于涂層中。目前關(guān)于AlTiN涂層中添加Cu的研究主要停留在單獨的Cu層上，形成AlTiN/Cu納米多層涂層，而對Cu彌散分布于涂層中形成AlTiN-Cu納米顆粒涂層的研究甚少。所以，系統(tǒng)研究AlTiN-Cu納米顆粒涂層組織結(jié)構(gòu)和性能具有重要意義。本文通過陰極弧蒸發(fā)離子鍍工藝在硬質(zhì)合金刀具上制備AlTiN和AlTiN-Cu涂層，系統(tǒng)地研究Cu的添加對AlTiN涂層刀具組織結(jié)構(gòu)、力學性能和切削性能的影響，為改進AlTiN涂層性能提供實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料準備

采用工業(yè)化生產(chǎn)的陰極弧蒸發(fā)設(shè)備，在型號為VNEG120408-NF的硬質(zhì)合金刀片上分別沉積AlTiN和AlTiN-Cu涂層，刀片基體為WC-6%Co，所用靶材為粉末冶金制備的Ti33Al67和(Ti33Al67)97Cu3合金靶，通入氮氣作為反應(yīng)氣體，沉積溫度為400~500 ℃，沉積壓力為1.8 Pa。

1.2 性能測試與表征

采用NOVATM NanoSEM230型場發(fā)射掃描電鏡檢測AlTiN和AlTiCuN涂層的表面形貌、截面形貌和化學成分。利用X射線衍射儀分析AlTiN和AlTiN-Cu涂層的相組成。

納米硬度計采用瑞士CSM公司生產(chǎn)的納米硬度測試儀。將樣品待測表面進行拋光處理，測試載荷為10 mN，加載速率為20 mN/min，卸載速率為20 mN/min，保壓時間為15s。

在數(shù)控機床CK7525上進行濕式切削實驗，刀桿型號為MVJNL2525M16，切削工件為鈦合金，切削速度為=60 m/min，切深=1mm，進給量=0.2 mm/rev。每隔一定時間暫停切削，取下刀片在光學測量儀上進行刀具磨損量的測量，磨損標準采用涂層硬質(zhì)合金刀片后刀面磨損量=0.3 mm或后刀面溝槽磨損量max達0.6 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層組織形貌和相結(jié)構(gòu)

2.1.1 涂層的組織形貌和成分

AlTiN和AlTiN-Cu涂層的的成分如表1所列，AlTiN-Cu涂層中添加摩爾分數(shù)為1.28%的Cu。涂層的表面形貌如圖1所示，可以看出2種涂層的表面都存在表面液滴，但是AlTiN-Cu涂層的表面液滴數(shù)量明顯比AlTiN涂層多，而且液滴體積粗大。表面液滴會影響涂層性能，是一種缺陷。表面液滴主要由于陰極弧放電時向外噴射等離子體的同時也會向外發(fā)射金屬溶滴(即液滴)，液滴隨同等離子體沉積到薄膜表面而形成[9]。由于Cu的導(dǎo)熱性比Ti和Al好，在沉積過程中更容易形成液滴，所以AlTiN-Cu涂層的表面液滴比AlTiN涂層的多，表面缺陷多。

表1 AlTiN和AlTiN-Cu涂層中各元素的原子百分含量

圖1 PVD涂層的表面形貌

圖2所示為AlTiN和AlTiN-Cu涂層的截面SEM形貌圖，可見涂層與基體結(jié)合緊密，沒有明顯的分層。對比圖2(a)和(b)可以明顯看出，AlTiN涂層為柱狀晶結(jié)構(gòu)，添加Cu后，Cu分布在AlTiN周圍，阻礙AlTiN涂層的生長，使晶粒生長方式發(fā)生改變，柱狀晶消失，變成平整光滑的等軸晶結(jié)構(gòu)，晶粒明顯細化。

2.1.2 涂層的相結(jié)構(gòu)

圖3為AlTiN和AlTiN-Cu涂層的XRD圖譜。添加Cu后，AlTiN(111)晶面相對衍射強度減弱，(200)晶面相對衍射強度增強，而且衍射峰寬化。這主要是由于添加Cu后，改變了AlTiN晶粒的形核和生長方式，使AlTiN涂層的晶粒由柱狀晶變成了等軸晶，晶粒尺寸細化。衍射譜中沒有發(fā)現(xiàn)Cu的衍射峰，這主要是因為Cu加入量少，且形成非常細小的晶粒，超出了XRD的檢測范圍。這與ZHANG等[10]的研究結(jié)果一致。

圖2 PVD涂層的截面形貌

圖3 AlTiN和AlTiN-Cu涂層的XRD譜

根據(jù)公式(1)[11]計算出AlTiN和AlTiN-Cu涂層沿各晶面生長的織構(gòu)系數(shù)，如表2所列?？棙?gòu)系數(shù)T*大于1表示涂層具有該方向的織構(gòu)，數(shù)值越大，擇優(yōu)取向越明顯[12]。面心立方結(jié)構(gòu)的AlTiN涂層，晶體結(jié)構(gòu)與面心立方的TiN基本相同，由原子半徑小的Al原子置換TiN涂層中部分Ti原子形成，和TiN相比，衍射峰位向高角度偏移[13]。AlTiN涂層對應(yīng)TiN涂層的PDF卡片，號碼為38~1420，三強線及相對強度為(111)，72%；(200)，100%；(220)，45%。AlTiN涂層的密排面為(111)面，涂層沿密排面生長具有最低的自由能且擇優(yōu)生長。但是，添加Cu阻礙了AlTiN涂層的晶粒生長，使晶粒的長大方式發(fā)生變化，擇優(yōu)取向由(111)面轉(zhuǎn)變成(200)面。

式中：(hkl)為涂層試樣實際衍射強度；(hkl)為隨機粉末的衍射強度；為參考的衍射峰數(shù)目。

表2 AlTiN和AlTiN-Cu涂層的織構(gòu)系數(shù)

2.2 涂層的力學性能

表3所列為納米壓痕所測得的AlTiN和AlTiN-Cu涂層的基本力學性能。其中，HIT為測試樣品的納米硬度；E為測試樣品的彈性模量；E*為測試樣品的壓入模量。AlTiN涂層添加Cu后，硬度下降，從29.01 GPa降低到22.14 GPa；彈性模量降低，從347.10 GPa降低到268.25 GPa。涂層的硬度主要受2個方面影響[14]：一是Cu為金屬軟質(zhì)相，加入Cu會使涂層硬度下降；二是加入Cu可細化AlTiN晶粒尺寸，使涂層組織結(jié)構(gòu)從柱狀晶變成等軸晶，提高涂層的硬度。研究表 明[15]，Cu的加入量有一個合適的范圍，硬度起初由晶粒細化導(dǎo)致硬度增加占主導(dǎo)，當Cu含量過了臨界值，則由Cu是金屬軟質(zhì)相導(dǎo)致硬度降低占主導(dǎo)。涂層的力學性能降低，說明涂層中Cu含量過多，以軟質(zhì)相占主導(dǎo)。雖然圖2表明Cu可細化AlTiN的晶粒，但AlTiN-Cu涂層表面液滴比AlTiN涂層多，涂層表面缺陷大，也會使涂層的力學性能降低。

硬度和彈性模量比值HIT/E反映了涂層發(fā)生彈性變形的難易程度，HIT3/E*2反映了涂層抵抗塑性變形的能力，其中，E*=E/(1?v2)；E為材料的彈性模量，v為材料泊松比[16]。HIT/E比值越小，越容易發(fā)生彈性變形，HIT3/E*2比值越小，越容易發(fā)生塑性變形。從表3可以看出，添加Cu后，HIT/E和HIT3/E*2數(shù)值均變小，因此AlTiN-Cu涂層相對AlTiN涂層韌性提高，在沖擊磨損中AlTiN涂層更容易由塑性變形變?yōu)榇嘈?失效。

表3 AlTiN和AlTiN-Cu涂層的力學性能

Note: HIT=Nano-indentation hardness; E= Elasticity modulus;E*=Indentation modulus

2.3 切削性能

圖4所示為濕式切削鈦合金得到的AlTiN和AlTiN-Cu涂層硬質(zhì)合金刀片后刀面磨損量與時間的曲線圖。根據(jù)后刀面磨損量達0.3 mm作為失效準則，AlTiN涂層刀具切削28 min后失效，磨損量達0.3 mm，AlTiN-Cu涂層刀具切削38 min后失效，磨損量達0.29 mm。所以，AlTiN-Cu涂層刀具的切削壽命遠大于AlTiN涂層刀具，提高了約36%。從磨損曲線來看，2種刀具都經(jīng)歷了初期磨損、正常磨損和劇烈磨損3個階段。在初期磨損和正常磨損階段，AlTiN涂層和AlTiN-Cu涂層刀具的后刀面磨損量基本相同，但是在劇烈磨損階段，AlTiN涂層刀具磨損速度遠快于AlTiN-Cu涂層刀具。鈦合金作為難加工材料之一，在加工過程中切削溫度高、化學親和性強，刀具容易出現(xiàn)崩刃和粘結(jié)磨損。雖然AlTiN-Cu涂層的表面形貌和力學性能都比AlTiN涂層差，但AlTiN-Cu涂層的切削性能比AlTiN涂層好。這主要是因為，在AlTiN涂層中添加Cu，能起到自潤滑作用，可減少加工鈦合金時的粘刀現(xiàn)象，降低磨損速度，從而提高切削壽命。

圖4 AlTiN、AlTiN-Cu涂層刀具的切削壽命

3 結(jié)論

1) 添加Cu可改變AlTiN涂層的組織結(jié)構(gòu)，使AlTiN涂層的晶粒生長方式從柱狀晶轉(zhuǎn)變成等軸晶，細化晶粒尺寸，改變AlTiN涂層的擇優(yōu)取向，從(111)面變成(200)面。

2) 添加Cu可降低AlTiN涂層的力學性能。硬度從29.01 GPa降低到22.14 GPa，彈性模量從347.10 GPa降低到268.25 GPa。但是，AlTiN-Cu涂層的韌性比AlTiN涂層高，AlTiN更容易在沖擊磨損中發(fā)生脆性失效。

3) 添加Cu可提高AlTiN涂層刀具切削鈦合金的切削壽命，切削壽命提高了大約36%。主要原因是Cu的加入能在切削過程中起到自潤滑作用，改善加工鈦合金的粘刀現(xiàn)象，降低涂層的磨損速度。

[1] 郭杰, 徐看, 劉利國, 等. 刀具涂層技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 工具技術(shù), 2014, 48(3): 3?7. GUO Jie, XU Kan, LIU Liguo, et al. Current situation and trend of development of coating technology for cutting tools[J]. Tool Engineering, 2014, 48(3): 3?7.

[2] 任毅, 周家斌, 付志強, 等. 納米多層超硬膜力學性能研究進展[J]. 金屬熱處理, 2007, 32(5): 6?9. REN Yi, ZHOU Jiabin, FU Zhiqiang, et al. Review of mechanical performance of superhard nano-multilayer films[J]. Heat Treatment of Metals, 2007, 32(5): 6?9.

[3] WANG X Q, ZHAO Y H, YU B H, et al. Deposition, structure and hardness of Ti-Cu-N hard films prepared by pulse biased arc ion plating[J]. Vacuum, 2011, 86(4): 415?421.

[4] 徐銀超, 陳康華, 王社權(quán), 等. TiN 和 TiAlN 涂層硬質(zhì)合金的氧化和切削性能[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 2011, 16(3): 425?430. XU Yinchao, CHEN Kanghua, WANG Shequan, et al. Oxidation and cutting properties of TiN and TiAlN coated cemented carbide[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2011, 16(3): 425?430.

[5] 陳蓓蓓. (Ti,Al)N薄膜力學性能及微觀組織結(jié)構(gòu)的研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2007: 1?61. CHEN Beibei. Study on mechanical properties and microstructure of (Ti,Al)N coatings[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2007: 1?61

[6] LEU M S, LO S C, WU J B, et al. Microstructure and physical properties of arc ion plated TiAlN/Cu thin film[J]. Surface and Coatings Technology, 2006, 201(7): 3982?3986.

[7] 胡弦. 遮擋效應(yīng)及Si, Cu改性的TiAlN涂層性能研究[D]. 南昌: 南昌航空大學, 2013: 1?65. HU Xian. Shield effect and properties investigation of TiAlN coatings modified by Si and Cu[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2013: 1?65.

[8] FOX-RABINOVICH G S, YANAMOTO K, AGUIRRE M H, et al. Multi-functional nano-multilayered AlTiN/Cu PVD coating for machining of Inconel 718 superalloy[J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 204(15): 2465?2471.

[9] 龔才. 電弧離子鍍TiN薄膜表面液滴及其對薄膜性能的影響研究[D]. 長沙: 中南大學, 2013: 1?74. GONG Cai. Study of droplets and its effect on performance of TiN films prepared by arc ion plating[D]. Changsha: Central South University, 2013: 1?74.

[10] ZHANG L, MA G J, LIN G Q, et al. Synthesis of Cu doped TiN composite films deposited by pulsed bias arc ion plating[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2014, 320: 17?21.

[11] 唐瞿煒. 不同織構(gòu)刀具表面涂層性能的研究[D]. 天津: 天津大學, 2014: 1?42. TANG Quwei. Research on properties of different textured cutting tools[D]. Tianjin: Tianjin University, 2014: 1?42

[12] 陳利, 汪秀全, 尹飛, 等. TiN 涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)及力學性能分析[J]. 硬質(zhì)合金, 2006, 23(1): 8?10. CHEN Li, WANG Xiuquan, YIN Fei, et al. Research on microstructure and mechanical properties of TiN coating[J]. Cemented Carbide, 2006, 23(1): 8?10.

[13] 陳利, 吳恩熙, 尹飛, 等. (Ti, Al)N涂層的微觀組織和性能[J]. 中國有色金屬學報, 2006, 16(2): 279?283. CHEN Li, WU Enxi, YIN Fei, et al. Microstructure and properties of (Ti,Al)N coating[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(2): 279?283.

[14] MYUNG H S, LEE H M, SHAGINYAN L R, et al. Microstructure and mechanical properties of Cu doped TiN superhard nanocomposite coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2003, 163: 591?596.

[15] ELYUTIN A V, BLINKOV I V, VOLKHONSKY A O, et al. Properties of nanocrystalline arc PVD TiN-Cu coatings[J]. Inorganic Materials, 2013, 49(11): 1106?1112

[16] BELOV D S, BLINKOV I V, VOLKHONSKII A O. The effect of Cu and Ni on the nanostructure and properties of arc-PVD coatings based on titanium nitride[J]. Surface and Coatings Technology, 2014, 260: 186?197.

(編輯 高海燕)

Effect of adding Cu on structure and cutting performance of PVD AlTiN coating

PAN Chenxi1, 2, CHEN Kanghua1, 2, XU Yinchao1, 2, 3, WANG Yunzhi3, ZHU Changjun1, 2, CHEN Hao1, 2

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;2. Collaborative Innovation Center of Advanced Nonferrous Structural Materials and Manufacturing, Changsha 410083, China; 3. Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co. Ltd., Zhuzhou 412000, China)

AlTiN and AlTiCuN coatings were prepared on the surface of cemented carbide cutting tools with cathodic arc ion plating. The surface-interface morphologies, microstructure, mechanical properties of AlTiN and AlTiCuN coatings were tested and analyzed by means of SEM, XRD and nano-indentation tester, respectively. Cutting performance of two kinds of coatings was also studied. The results show that adding Cu changes the grain structure from columnar crystal to equiaxed one, refines the grain sizes of the coating, and changes preferred orientation from (111) plane to (200) plane. Meanwhile, Cu ddition decreases the vickers hardness from 29.01 GPa to 22.04 GPa and the elasticity modulus from 347.10 GPa to 268.25 GPa, but it improves the cutting life of cutting titanium alloy about 36%.

AlTiN; Cu; PVD; nano coating; cathodic arc ion plating;nano coating

TG174.4

A

1673?0224(2016)05?717?05

高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(2014ZX04012011)

2015?10?15；

2016?04?19

陳康華，教授，博士。電話：0731-88830714；E-mail: khuachen@mail.csu.edu.cn