不同厚度TiAlN涂層的性能影響研究

＊王自龍 王靖考

（成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川 610106）

引言

TiAlN涂層是繼TiN涂層后的第二代新型硬質(zhì)涂層。TiN屬于初代的硬質(zhì)涂層，是硬質(zhì)涂層的發(fā)源鼻祖。但是隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，制造業(yè)對(duì)于刀具加工提出了更高的要求，由于TiN的高溫抗氧化性、硬度和膜基結(jié)合力等性能不足，已經(jīng)無法滿足當(dāng)代制造業(yè)的高要求而逐漸退出歷史舞臺(tái)[1-4]。TiAlN由于其優(yōu)異的高溫抗氧化性和較高的硬度，能夠滿足工業(yè)要求，目前已經(jīng)廣泛取代TiN涂層的地位，成為車削刀具最受歡迎的硬質(zhì)涂層之一[5]。TiAlN涂層能夠適應(yīng)更加嚴(yán)酷的加工環(huán)境，由于Al的加入使其在高溫的車削過程中涂層表面的Al優(yōu)先與空氣中的氧氣反應(yīng)結(jié)合形成一層致密的Al2O3薄膜，這層薄膜能夠有效的隔絕基體與外界高溫環(huán)境的聯(lián)系，阻止刀具被進(jìn)一步氧化。同時(shí)生成的Al2O3致密薄膜會(huì)與工件優(yōu)先接觸，降低刀具的磨損，可以較大的提高涂層刀具的壽命。

目前，TiAlN涂層的研究方向主要有元素?fù)诫s、工藝優(yōu)化、涂層結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。元素?fù)诫s包括Si、Cr以及一些稀土元素等。工藝優(yōu)化包括對(duì)偏壓、偏流、占空比等參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化從而增強(qiáng)涂層的性能。而結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從單層逐漸向多層甚至納米涂層進(jìn)行發(fā)展，目前工業(yè)應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)為雙層或多層涂層，單層涂層由于性能較差已經(jīng)很少使用，而納米涂層制備困難，暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

本研究主要是通過控制不同的沉積時(shí)間進(jìn)而制備出不同厚度的TiAlN涂層。涂層厚度對(duì)于涂層的性能影響較大，因此研究不同的厚度的涂層性能差異可以更好的適用于刀具加工，讓性能合適的涂層用到適合的刀具工作環(huán)境。

1.實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

(1)實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的基體材料為WNMG120404刀片，使用的靶材為Ti/Al（50:50）的TiAl靶材，工藝氣體為純度為99.99%的N2和Ar。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)制備涂層的設(shè)備為多弧離子鍍膜機(jī)；厚度檢測(cè)儀器為BCT1000球坑測(cè)厚儀；硬度檢測(cè)儀器為HV-1000顯微硬度計(jì)；結(jié)合力檢測(cè)儀器為WS-2005型自動(dòng)劃痕儀。

(3)工藝流程

先對(duì)基體材料進(jìn)行前處理，使用丙酮清洗10min，溫度為50℃，接著使用酒精清洗10min，溫度為50℃。沉積的本底真空度為5.0×10-3Pa，真空溫度為480℃，通入氣體流量為650sccm的Ar，偏壓為500V，清洗30min。再將Ar流量改為150sccm，偏壓設(shè)置成100V，使用IET清洗30min。清洗完畢后關(guān)閉Ar氣閥，打開N2氣閥，N2流量設(shè)置為1100sccm，偏壓為40V，占空比80%，開始沉積TiN底層，沉積時(shí)間為10min。之后將偏壓改為80V，開始沉積TiAlN涂層，沉積時(shí)間分別為60min、120min、180min、240min。沉積結(jié)束后，關(guān)閉加熱器，使涂層隨爐冷卻后出爐。

2.結(jié)果與討論

(1)沉積時(shí)間對(duì)涂層厚度的影響

表1為不同沉積時(shí)間下制備出的TiAlN涂層。其中增長(zhǎng)速率的計(jì)算公式為：

表1 不同沉積時(shí)間下涂層的厚度

其中，v為沉積速率；d為薄膜厚度；t為沉積時(shí)間。

增長(zhǎng)率的計(jì)算公式為：

其中，p為增長(zhǎng)率；dn為增長(zhǎng)后的厚度；dn-1為增長(zhǎng)前的厚度；d1為沉積時(shí)間為60min的厚度。

沉積時(shí)間對(duì)涂層厚度的影響見圖1，由圖1可知，涂層厚度隨沉積時(shí)間的增加而增大，并且增長(zhǎng)幅度近似成正比，這是由于沉積時(shí)間的增加，增加了真空室內(nèi)金屬離子和N+的碰撞幾率，更多的離子負(fù)偏壓的作用下結(jié)合形成TiAlN原子沉積在基體上，沉積時(shí)間越長(zhǎng)，基體表面結(jié)合的原子也就越多，宏觀表現(xiàn)為涂層的厚度逐漸增大，并且由于只改變了沉積時(shí)間，因此離子獲得的能量幾乎恒定，從而使得離子在真空室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速率基本不變，也就導(dǎo)致薄膜的增長(zhǎng)率變化不大，薄膜厚度隨時(shí)間的增加增長(zhǎng)穩(wěn)定。

圖1 沉積時(shí)間對(duì)涂層厚度的影響

(2)不同厚度對(duì)涂層硬度的影響

表2為不同厚度下測(cè)得的涂層硬度，其中硬度提升率與厚度增長(zhǎng)計(jì)算方法一致。

表2 不同厚度下涂層硬度

圖2為不同厚度對(duì)TiAlN涂層硬度的影響。由圖2可知，涂層硬度隨著其厚度的增加而增大。并且硬度提升率也隨之增加。其原因可能是涂層厚度為1.17μm由于沉積時(shí)間較短，涂層在進(jìn)行島狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的同時(shí)產(chǎn)生了大量的晶格間隙和晶格缺陷，從而使得涂層的硬度較低。隨著涂層厚度的增加，由于N的原子半徑遠(yuǎn)小于Ti和Al，因此真空室內(nèi)的N+回去填補(bǔ)涂層生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的晶格缺陷和間隙，使涂層的致密度有所提高，從而增加了涂層的硬度。并且由于涂層厚度的增加，會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力不斷增加，內(nèi)應(yīng)力的積累也會(huì)使得涂層的硬度增加，因此隨著涂層厚度越來越大，內(nèi)應(yīng)力也會(huì)越來越多，從而使之對(duì)涂層硬度越來越大，導(dǎo)致涂層硬度提升率也越來越高。

圖2 厚度對(duì)涂層硬度的影響

(3)厚度對(duì)涂層膜基結(jié)合力的影響

表3為不同厚度下測(cè)得涂層的膜基結(jié)合力。結(jié)合力增長(zhǎng)率同厚度增長(zhǎng)率。

表3 不同厚度下涂層結(jié)合力

涂層結(jié)合力大小的判定為聲信號(hào)最高峰，而聲信號(hào)的大小反應(yīng)了涂層破損程度，聲信號(hào)越大說明涂層破損越嚴(yán)重，詳見圖3。由圖3可知，在加載力為50N之前，四種涂層的聲信號(hào)都很平穩(wěn)，幾乎未出現(xiàn)波峰，說明四種涂層的結(jié)合力都較好，在加載力為50N時(shí)，T4已經(jīng)出現(xiàn)了一些密集的小波峰，說明T4涂層已經(jīng)開始出現(xiàn)裂紋，進(jìn)入輕微磨損，但是此時(shí)涂層已經(jīng)可用，隨著加載力的增大，涂層的最高峰隨涂層厚度依次出現(xiàn)，最厚的T4最先出現(xiàn)，最晚出現(xiàn)的是最薄的T1涂層。

圖3 不同厚度涂層聲波信號(hào)

圖4是厚度對(duì)涂層結(jié)合力的影響。由圖4可以明顯看出涂層結(jié)合力與其厚度呈負(fù)相關(guān)。涂層厚度為1.17μm時(shí)，涂層有最大的結(jié)合力（77N），隨著涂層厚度的增大，結(jié)合力隨之減小，涂層厚度為最大的4.51μm時(shí)，其結(jié)合力為最小的63N。出現(xiàn)這種曲線的原因由Hoffman[6]和Finegan所提出的晶界弛豫和表面張力模型可以解釋，T1實(shí)驗(yàn)中沉積時(shí)間最短涂層厚度最小，此時(shí)涂層成島狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，不過此時(shí)島狀的面積較小，島與島之間的間隔相差較大，島中的涂層原子與小島本身甚至可以移動(dòng)，此時(shí)涂層內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力很小幾乎可以不計(jì)。因此T1涂層中表現(xiàn)出最大的結(jié)合強(qiáng)度。隨著涂層厚度的增加，島狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)越來越大，島的面積也隨之增大，導(dǎo)致島與島之間的距離越來越小，島間距離變小會(huì)使得島間相互作用增強(qiáng)，最終導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力增加，降低了涂層的結(jié)合力。同時(shí)隨著厚度的增加，涂層內(nèi)部的晶格缺陷和晶格間隙越逐漸增加，游離的原子會(huì)填補(bǔ)這些間隙，但同時(shí)原子的擴(kuò)散也會(huì)使涂層結(jié)構(gòu)體積收縮，引起內(nèi)應(yīng)力增加。

圖4 厚度對(duì)涂層結(jié)合力的影響

3.結(jié)論

（1）通過控制沉積時(shí)間能夠制備出不同厚度的TiAlN涂層，并且時(shí)間對(duì)厚度的影響較為穩(wěn)定，可控性強(qiáng)。

（2）厚度對(duì)涂層的硬度有顯著影響，隨著涂層厚度的增加，涂層的硬度也隨之變大。其原因可能是受涂層的內(nèi)應(yīng)力和涂層致密度的影響。

（3）厚度對(duì)涂層的結(jié)合力有著消極影響，隨著涂層厚度的增加，其結(jié)合力會(huì)逐漸降低，其主要原因可能是涂層內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力不斷累積導(dǎo)致涂層結(jié)合力下降。