基體偏壓對高功率脈沖磁控濺射AlCrN涂層結(jié)構(gòu)及其性能的影響*

唐 鵬，王啟民，林松盛，代明江

1.廣東省新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實驗室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510650；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

應(yīng)用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)在刀具表面涂覆過渡金屬氮化物涂層來提高其表面性能和使用壽命已經(jīng)在工業(yè)實踐上有著廣泛的應(yīng)用[1-4]．傳統(tǒng)的CrN涂層因硬度高和摩擦性能優(yōu)異等優(yōu)點而備受關(guān)注[5-6]．在金屬高速干式切削加工中，切削中心溫度通?？蛇_(dá)到700～900 ℃[7-9]，且隨著切削速度的不斷增大，局部溫度甚至可達(dá)1000 ℃以上．由于CrN涂層在溫度為600～750 ℃的環(huán)境下就會開始發(fā)生氧化[10-11]，因此，在高溫的環(huán)境下CrN涂層刀具已無法滿足使用要求．研究表明，于CrN涂層中加入適量的Al元素得到的AlCrN涂層在900 ℃的環(huán)境下才會開始發(fā)生氧化[12]，并且，由于固溶強化的作用AlCrN涂層的硬度相對于CrN也有著一定程度的增加[13]．由于傳統(tǒng)的電弧離子鍍技術(shù)制備的涂層表面存在大顆粒和大內(nèi)應(yīng)力，傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)制備的涂層與基體的結(jié)合力差．這些缺陷都制約著AlCrN涂層在工業(yè)上規(guī)模化的應(yīng)用．然而，高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)技術(shù)[14]是一種新型的高離化率物理氣相沉積技術(shù)，它利用較高的脈沖峰值功率 (超出傳統(tǒng)磁控濺2～3個數(shù)量級) 和較低的脈沖占空比 (0.5～10%) 來實現(xiàn)靶材的高離化率 (>50%)． HIPIMS 技術(shù)在理論上能同時解決電弧離子鍍涂層大顆粒、大內(nèi)應(yīng)力與傳統(tǒng)磁控濺射制備涂層膜-基結(jié)合力低等缺點．

本文通過應(yīng)用HIPIMS技術(shù)在不同基體偏壓下制備一系列的AlCrN涂層，利用SEM，XRD，EDS和大載荷劃痕儀、納米壓痕儀等分析測試方法來研究基體偏壓對涂層成分、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響．

1 試驗部分

1.1 試樣制備

在硬質(zhì)合金(WC-6Co，含6 wt%的Co)和硅片(100)基體上采用HIPIMS技術(shù)沉積AlCrN涂層，基體需放入丙酮和酒精中經(jīng)超聲波分別清洗10 min后再吹干．在沉積工藝中，沉積Cr和CrN層用Cr電弧圓餅靶材(直徑100 mm，厚度20 mm，純度 99.99 at.%)，AlCrN層沉積用Al60Cr30圓柱濺射靶材(直徑70 mm，高度594 mm，純度99.5 at.%)．在涂層沉積前到達(dá)本底真空5×10-3Pa后，所有使用的靶材都要預(yù)先運行5 min以去除靶表面的雜質(zhì)．鍍膜先通入流量為300 mL/min的Ar， 在-800 V的基體偏壓下，對基體進(jìn)行10 min的Ar+轟擊．然后，用電弧離子鍍技術(shù)在基體表面植入一層Cr金屬層，調(diào)整基體與涂層間熱膨脹系數(shù)，使用-800 V的基體偏壓、100 A左右Cr靶電流、Ar流量不變，再用電弧離子鍍技術(shù)沉積一層CrN過渡層，保持Cr靶電流不變，基體偏壓降為-100 V，氣壓1.2 Pa，N2流量為300 mL/min，用HIPIMS技術(shù)沉積AlCrN涂層，在N2和Ar的混合氣氛下開啟AlCr合金靶．沉積AlCrN涂層時，基體置于AlCr合金靶正前方自轉(zhuǎn)，靶基距25 cm，具體的沉積參數(shù)見表1.

表1 AlCrN 涂層沉積工藝參數(shù)

1.2 表征分析

表征涂層的形貌和元素組成采用帶有能譜儀 (EDS) 的掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI，Nano 430),最大放大倍數(shù)30萬倍，加速電壓 20 kV，電子束流范圍為 (0.3～2.2)×10-8A．涂層的相結(jié)構(gòu)由X射線衍射(XRD，D8 Advance，Bruker) 來檢測，X射線發(fā)射源CuKα光源， X射線波長為0.154 nm，掃描速度 0.02 °/s，掃描步長 0.01 °，掃描范圍20～70 °．涂層的硬度和楊氏模量通過納米壓痕儀(CSM，TTX-NHT) 測得，測試時壓頭的最大壓入深度控制在涂層總厚度的10%左右，載荷10 mN，加、卸載時間各30 s．涂層與基體的結(jié)合強度通過使用劃痕儀(CSM, Revetest scratch tester)來檢測，測試參數(shù)如下：1～100 N的漸進(jìn)載荷，劃痕長度5 mm，針尖移動速度10 mm/min．

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 涂層的成分及結(jié)構(gòu)

表2為AICrNi涂層元素組成.由表2可知，隨著基體偏壓的增加，涂層中各元素的含量均未發(fā)生較大的變化，其中Al元素的含量在30.30%～32.52%之間波動，Cr元素含量在23.59%～24.60%之間變化，N元素含量基本保持在36.10%～38.59%之間．由表2還可知，N/(Al+Cr)的值逐漸變大，說明N元素在涂層中的占比逐漸增加．

表2 AlCrN涂層元素組成

圖1為AlCrN涂層在不同基體偏壓下的XRD圖譜．從圖1可見，AlCrN涂層存在立方CrN(200)和CrN(220)及六方AlN(110)的衍射峰，其中CrN(220)在偏壓大于等于-100 V時才會出現(xiàn)，而六方AlN(110)的衍射峰在偏壓大于等于-60 V時才會出現(xiàn)，并在偏壓為-100 V時衍射峰強度最大，繼續(xù)增加偏壓則衍射峰強度變小．AlCrN涂層與CrN (JCPDS No. 76-2494)對比發(fā)現(xiàn)，衍射峰都向更低的角度偏移，這是因為Al的原子半徑大于Cr的原子半徑，Al取代Cr在CrN中的位置時晶格發(fā)生畸變導(dǎo)致的．

圖1 不同基體偏壓下AlCrN涂層XRD圖Fig.1 The X-ray diffraction patterns of the AlCrN coatings deposited on different bias voltage

2.2 涂層的形貌

圖2及圖3分別為AlCrN涂層在不同基體偏壓下表面和截面的形貌圖．從圖2可見，隨著基體偏壓的增加涂層表面的大顆粒的尺寸和數(shù)量會逐步減?。诨w偏壓大于-60 V時，涂層能得到較好的表面質(zhì)量．從圖3可見：涂層結(jié)構(gòu)致密并與基體結(jié)合緊密，且涂層為柱狀晶生長結(jié)構(gòu)；CrN過渡層的厚度約為500 nm，而隨著基體偏壓的增加，涂層的總厚度逐步下降，由4.98 μm降至了3.63 μm．這是因為偏壓增加使得粒子到達(dá)基體時能量更大，從而導(dǎo)致涂層變得更加致密，涂層厚度變?。?/p>

2.3 AlCrN涂層的力學(xué)性能

圖4為不同基體偏壓下AlCrN涂層的硬度和彈性模量圖．從圖4可見，涂層的硬度及彈性模量隨著基體偏壓的增加而逐步上升，在基體偏壓為-150 V時有著最大值，分別為32.5±2.0 GPa和490±111.0 GPa．涂層硬度的增加可能是偏壓升高使得粒子達(dá)到基體時的能量更強，從而使得粒子的遷移及擴散能力增強，形核數(shù)目增加，晶粒減小，進(jìn)而致使涂層結(jié)構(gòu)更加致密，硬度增加．

圖2 不同基體偏壓下AlCrN涂層的表面SEM圖(a) -30 V；(b)-60 V；(c) -100 V；(d)-150 VFig.2 Surface SEM micrographs of the AlCrN coatings deposited on different bias voltage

圖3 不同基體偏壓下AlCrN涂層的截面SEM圖(a) -30 V；(b)-60 V；(c) -100 V；(d)-150 VFig.3 Cross-sectional SEM micrographs of the AlCrN coatings deposited on different bias voltage

圖4 不同基體偏壓下AlCrN涂層的硬度和彈性模量圖Fig.4 The hardness and the AlCrN elasticity modulus of coatings deposited on different bias voltage

圖5 不同基體偏壓下AlCrN涂層的劃痕形貌圖(a) -30 V；(b)-60 V；(c) -100 V；(d)-150 VFig.5 The optical images of the scratch tracks of the AlCrN coatings deposited on different bias voltage

劃痕形貌使用光學(xué)顯微鏡來進(jìn)行觀測，Lc是用來評價涂層與基體結(jié)合強度的主要參數(shù)．圖5為不同基體偏壓下AlCrN涂層的劃痕形貌圖，涂層被劃破時的臨界載荷Lc在圖中標(biāo)出．從圖5可見，隨著涂層基體偏壓的增加，涂層的臨界載荷先增加后減小．當(dāng)基體偏壓小于-60 V時，涂層的臨界載荷均為15 N左右．然而，隨著基體偏壓增加至-100 V時，涂層的臨界載荷數(shù)值增大至40 N左右．但是，涂層的臨界載荷隨著偏壓的繼續(xù)升高會逐漸變小．涂層臨界載荷變大的原因，是隨著偏壓的增大到達(dá)基體表面的粒子能量更大，從而獲得了更好的遷移和擴散能力，涂層原子附著在基體上時能與基體原子產(chǎn)生強鍵結(jié)合．然而，隨著偏壓的繼續(xù)增加，離子獲得過高的能量會使沉積的涂層內(nèi)應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致臨界載荷開始降低．

3 結(jié) 論

應(yīng)用HIPIMS技術(shù)制備AlCrN涂層，通過改變基體偏壓獲得一系列的AlCrN涂層，研究基體偏壓對涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響．

(1)XRD分析結(jié)果表明，Al元素的加入使得CrN的衍射峰都向更低的角度偏移．

(2)隨著基體偏壓的增加，AlCrN涂層的表面大顆粒數(shù)量和尺寸會逐步減小，基體偏壓大于-60 V時，涂層有著較好的表面質(zhì)量．

(3)在基體偏壓為-150 V時，AlCrN涂層硬度和彈性模量均有著最大的值分別為32.5±2.0 GPa和490±111.0 GPa．

(4)在基體偏壓為-100 V時，AlCrN涂層有最大的臨界載荷值約為40 N，涂層與基體的結(jié)合強度最大．