CrAlSiN納米復(fù)合涂層的制備與組織結(jié)構(gòu)表征＊

王志超，王政權(quán)，孫帥，王菁，范其香

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CrAlSiN納米復(fù)合涂層的制備與組織結(jié)構(gòu)表征＊

王志超，王政權(quán)，孫帥，王菁，范其香

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

采用Cr靶、Si靶和Al靶作為靶材，利用高功率脈沖磁控濺射系統(tǒng)在304不銹鋼和單晶硅片（100）基片表面沉積CrAlSiN納米復(fù)合涂層，并測(cè)定其顯微組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明，該納米涂層的主要相結(jié)構(gòu)為單一的fcc-（Cr，Al）相，結(jié)構(gòu)致密，與基體的結(jié)合力可達(dá)25 N。

高功率脈沖磁控濺射技術(shù)；納米復(fù)合CrAlSiN涂層；相結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，難加工材料種類(lèi)越來(lái)越多，涂層刀具因其有高硬度、高耐磨性，優(yōu)異的耐腐蝕性能和抗高溫氧化性而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前80%的刀具上都采用涂層技術(shù)。涂層的發(fā)展初期，刀具涂層大多為以TiC、TiN、CrN 等為典型代表的二元涂層[1]。但其斷裂韌性低，且抗高溫氧化性能較差，導(dǎo)致其無(wú)法滿足一些先進(jìn)加工技術(shù)要求。

為了進(jìn)一步改善刀具的各項(xiàng)性能，研究者嘗試在涂層中添加Al、Si、Zr等有益元素[2]。這些元素可以通過(guò)固溶強(qiáng)化或細(xì)化晶粒機(jī)制，達(dá)到提高涂層硬度和耐磨性的效果[3]。本文采用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)，通過(guò)在CrN涂層中摻雜Al和Si元素，優(yōu)化工藝條件，制備出一種具有高硬度和高耐磨性的納米復(fù)合CrAlSiN涂層。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備與實(shí)驗(yàn)材料

儀器設(shè)備有V-TECH HIPIMS 610/610型高功率脈沖磁控濺射系統(tǒng)、掃描電鏡 SEM（SEM，ZIESS）、能譜儀（EDS， Oxford）、XRD 衍射儀（XRD，X’Pert PRD，PANalytical，Holland）、納米壓痕技術(shù)（MTH，CSM，Anton Paar）、銷(xiāo)盤(pán)式摩擦試驗(yàn)機(jī)（THT，CSM，Anton Paar）。實(shí)驗(yàn)材料有鏡面拋光的304不銹鋼和單晶硅片（100)基片。靶材采用Cr靶、Al靶和Si靶，工作氣體為高純N2和Ar。

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 Al-Cr-Si-N涂層的制備

選用鏡面拋光的304不銹鋼和單晶硅片（100）作為基片，先在脫脂劑和乙醇溶液中分別超聲清洗20 min，用高純氮?dú)獯蹈?，用壓片固定于鋼板上正?duì)靶材懸掛于真空室內(nèi)轉(zhuǎn)架上，靶基距為70 mm。

將真空室抽真空至真空度高于1.0×10-3Pa時(shí)，通入Ar使工作氣壓保持在1.0 Pa，施加﹣800 V偏壓，輝光清洗基片10 min。將工作氣壓調(diào)至0.5 Pa，開(kāi)啟（功率脈沖磁控濺射）HIPIMS電源，利用離子轟擊清洗基片5 min，去除表面污物。降低偏壓至﹣30 V，沉積Cr過(guò)渡層30 min。隨后，通入反應(yīng)氣體N2，同時(shí)開(kāi)啟Si靶和Al靶，沉積CrAlSiN納米復(fù)合涂層。通過(guò)交叉實(shí)驗(yàn)，獲得優(yōu)化后的沉積工藝參數(shù)如表1所示。

表1 CrAlSiN納米復(fù)合涂層優(yōu)化后的沉積工藝參數(shù)

沉積參數(shù)數(shù)值 本底真空/Pa1.0×10-4 工作壓強(qiáng)/Pa0.5 偏壓/V﹣30 Ar流量/sccm47 N2流量/sccm94 沉積溫度/℃300 沉積時(shí)間/min180 Al靶濺射功率/kW0.8 Cr靶濺射功率/kW1.0 Si靶濺射功率/kW0.6 樣品轉(zhuǎn)速/（r/min）30 基底與靶之間的距離/mm70

1.2.2 組織結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測(cè)試

采用SEM觀察涂層截面和表面形貌并測(cè)量涂層截面厚度；采用Χ射線衍射儀（XRD）和 EDS 分析涂層相組成和成分；采用納米壓痕儀動(dòng)態(tài)連續(xù)加載卸載模式測(cè)試涂層的納米硬度及彈性模量，為了消除體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，壓痕深度不超過(guò)涂層厚度的1/10，每個(gè)樣品測(cè)量5個(gè)點(diǎn)取平均值；采用劃痕儀測(cè)量涂層與不銹鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度，金剛石劃頭的針尖半徑為200 μm，法向載荷以1 N/s的速率由0逐漸增加到100 N，劃痕長(zhǎng)度為5 mm，測(cè)試速度為0.5 mm/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 CrAlSiN納米復(fù)合涂層相組成

采用XRD衍射儀，測(cè)試了CrAlSiN納米復(fù)合涂層的相結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，涂層的主要相結(jié)構(gòu)為單一的fcc-（Cr，Al）相，未發(fā)現(xiàn)hcp-AlN相和Si的復(fù)合相。由此可知，Al固溶于CrN相中，起固溶強(qiáng)化作用。而Si以非晶相的形式存在于涂層中。

2.2 顯微結(jié)構(gòu)及其成分

采用SEM觀察了CrAlSiN納米復(fù)合涂層的表面形貌和截面形貌，如圖1所示。從圖1（a）中可以看出，涂層晶粒細(xì)小，表面光滑致密，沒(méi)有看到明顯缺陷。這是因?yàn)榇趴貫R射技術(shù)沉積涂層具有表面光滑致密的優(yōu)點(diǎn)。從截面形貌圖，即圖1中的（b）可看出，涂層組織致密，呈現(xiàn)柱狀晶結(jié)構(gòu)。通過(guò)EDS分析得到CrAlSiN納米復(fù)合的原子百分比成分為39.42%的N，34.89%的Cr，13.25%的Al，12.44%的Si。

圖1 300 ℃溫度下沉積的CrAlSiN納米復(fù)合涂層的表面和截面形貌

2.3 CrAlSiN納米復(fù)合涂層的力學(xué)性能

采用納米壓痕測(cè)得CrAlSiN納米復(fù)合涂層的硬度和彈性模量分別為25.5 GPa和408 GPa。涂層的硬度高于CrN的本征硬度，這是由于Al固溶于CrN中，取代CrN相中Cr位置，可起到固溶強(qiáng)化的作用，而Si形成非晶相Si3N4，分布與（Cr，Al）N相晶界處，可起到細(xì)化晶粒的作用，達(dá)到提高硬度的作用。劃痕儀測(cè)試CrAlSiN納米復(fù)合涂層與基體的結(jié)合力約為25 N。

3 結(jié)束語(yǔ)

CrAlSiN納米復(fù)合涂層作為一種新型涂層，具備很高的硬度、韌性、耐磨性能、耐熱性能。本文采用高功率脈沖磁控濺射和直流脈沖磁控濺射復(fù)合技術(shù)制備了一種組織結(jié)構(gòu)致密、硬度高的CrAlSiN納米復(fù)合涂層。研究結(jié)果對(duì)其他納米多層結(jié)構(gòu)涂層的設(shè)計(jì)與制備具有指導(dǎo)意義。

［1］張勤儉，趙路明，劉敏之，等.刀具涂層技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.有色金屬科學(xué)與工程，2014（05）.

［2］王鐵鋼，李柏松，張姣姣，等.沉積溫度對(duì)高功率脈沖磁控濺射AlCrSiN涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2018（08）.

［3］毛延發(fā)，唐為國(guó)，劉金良，等.TiAlN納米復(fù)合涂層的技術(shù)進(jìn)展［J］.工具技術(shù)，2014（10）.

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：201710066031）

2095－6835（2019）02－0059－01

TG174.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.059

〔編輯：張思楠〕