TiAlSiN涂層的制備及研究進(jìn)展

吳浩龍，王天國(guó)，覃 群

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

TiAlSiN涂層是由適量的Si元素添加到TiAlN中制備的，其硬度與耐磨性能均優(yōu)于TiAlN涂層，且抗高溫氧化能力更優(yōu)，其溫度可達(dá)1000℃左右。文章綜述了Si含量對(duì)TiAlSiN涂層結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律、涂層的制備方法及今后研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1 Si含量對(duì)TiAlSiN涂層的影響

涂層的抗氧化性是保證切削工具正常穩(wěn)定使用的一個(gè)重要性能指標(biāo)。對(duì)于TiAlSiN涂層，其在氧化過程中會(huì)形成一種獨(dú)特的氧化層結(jié)構(gòu)，即氧化層上層為聚集態(tài)的Al，下層為聚集態(tài)的Si的分層結(jié)構(gòu)，上層的聚集態(tài)Al會(huì)先與O反應(yīng)形成致密的Al2O3，使得O原子難以進(jìn)一步向內(nèi)部氧化。另外，Si元素含量的增加提高了Al元素的擴(kuò)散系數(shù)，促進(jìn)了Al2O3保護(hù)層的形成，同時(shí)SiO2也可作為屏障阻止O原子的進(jìn)一步擴(kuò)散。文獻(xiàn)［1］研究了TiAlSiN涂層的抗氧化性能與Si含量之間存在著一定的聯(lián)系。結(jié)果表明，即使溫度在900℃左右的高溫環(huán)境下，TiAlSiN涂層也表現(xiàn)出了優(yōu)秀的抗氧化能力。

TiAlSiN涂層的熱穩(wěn)定性與Si元素含量的高低存在著一定的聯(lián)系，主要原因是由于Si元素的存在，非晶相Si3N4形成與TiAlN晶界上并包裹TiAlN晶粒產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)，即TiAlSiN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度上升時(shí)，TiAlN會(huì)向更加穩(wěn)定的h-AlN轉(zhuǎn)化，而包裹著TiAlN的非晶界面相Si3N4會(huì)抑制TiAlN的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而使得涂層的熱分解溫度得到提升。已有研究表明，當(dāng)Si含量增加時(shí)，TiAlSiN涂層中的TiAlN晶粒會(huì)被細(xì)化，尺寸變小，非晶界面相Si3N4的含量明顯增大，進(jìn)而對(duì)TiAlN的分解起到了抑制作用，致使涂層的熱穩(wěn)定性能得到了增強(qiáng)。

涂層的硬度與韌性是評(píng)估涂層耐磨性能的重要指標(biāo)。Si元素的加入不僅對(duì)TiAlSiN涂層的硬度有所提高，而且也獲得了較好的韌性。文獻(xiàn)［3］研究了TiAlSiN涂層摩擦性能與Si含量存在著一定的關(guān)系。結(jié)果表明，涂層的硬度與楊氏模量數(shù)據(jù)值隨著Si含量的增加均得到提高。主要原因就在于非晶態(tài)Si3N4的存在，抑制了晶粒的長(zhǎng)大及細(xì)晶引起了涂層硬度的增大，同時(shí)n-TiAlN/a-Si3N4納米晶結(jié)構(gòu)也有效的抑制了裂紋的初生和裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，因此提高了涂層的韌性。

2 TiAlSiN涂層制備方法

2.1 濺射技術(shù)

直流濺射采用直流電作為電源，利用輝光放電營(yíng)造等離子區(qū)，Ar＋轟擊靶材濺射沉積成膜。此濺射方式雖然操作過程交易控制，但是所得膜層并不潔凈而且沉積速率也很慢，最為重要的一點(diǎn)就是只能鍍導(dǎo)電膜；射頻濺射與直流濺射的電源選取截然不同，其電源采用射頻交流電。利用Ar＋與電子交替轟擊靶材濺射沉積成膜。雖然彌補(bǔ)了直流電只能鍍導(dǎo)電膜的缺陷，幾乎可以鍍所有材料，但其選用的電源價(jià)格較昂貴，沉積速率偏低；磁控濺射利用環(huán)形磁場(chǎng)電離大量Ar＋轟擊靶材，濺射沉積成膜。雖然制得的涂層損傷較低與沉積速率高，但是等離子體不穩(wěn)定。

采用中頻反應(yīng)磁控濺射技術(shù)有利于濺射過程的順利進(jìn)行，又由于采用了獨(dú)特的孿生靶結(jié)構(gòu)，有效的抑制了打火現(xiàn)象及消除了濺射過程中出現(xiàn)的陽(yáng)極消失現(xiàn)象。同時(shí)能得到光滑致密、高硬度膜層，但是也存在著一定的局限性，那就是工作的壓強(qiáng)范圍較窄。

2.2 離子鍍

通過輝光放電向弧光放電轉(zhuǎn)化方式形成等離子電子束，其在電壓電場(chǎng)作用下，經(jīng)過聚焦偏轉(zhuǎn)后射向坩堝使鍍料蒸發(fā)，繼而在基片負(fù)偏壓作用下沉積成膜。制得的涂層膜基結(jié)合力高和致密性好。但其蒸發(fā)源為點(diǎn)源，制備的涂層會(huì)隨著點(diǎn)源位置的不同，得到的膜層厚度會(huì)有一定的差異。

通過弧光放電形式，使金屬直接蒸發(fā)沉積成膜。所制得的涂層不僅膜基結(jié)合強(qiáng)度高和致密性好而且耐磨性也很好，不足之處在于若此種方式在高功率下會(huì)產(chǎn)生飛點(diǎn)，涂層的質(zhì)量會(huì)受到一定的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

TiAlSiN涂層由于Si元素的添加，其微觀結(jié)構(gòu)不僅發(fā)生了改變，而且硬度，抗氧化性能，熱穩(wěn)定性能，膜基結(jié)合力性能和耐磨性能也有著顯著的提高，已在刀具行業(yè)廣泛使用?？v使TiAlSiN涂層在綜合性能方面存在較大優(yōu)勢(shì)，但TiAlSiN涂層也存在著不足之處，即存在較大的殘余應(yīng)力與膜基結(jié)合度較低的劣勢(shì)。因此，須優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如在薄膜與基體之間添加梯度過度中間層及在涂層中合理添加其他元素形成多元多層化涂層來(lái)提高膜基結(jié)合力和對(duì)TiAlSiN涂層進(jìn)行后處理來(lái)降低殘余應(yīng)力將是今后研究的方向和熱點(diǎn)。