含Nb氮化物硬質(zhì)膜的研究現(xiàn)狀及展望

蘇富斌，張 鈞，王曉陽(yáng)，錢春暉，陳 磊

(沈陽(yáng)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧省多組硬質(zhì)膜研究及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110044)

0 前 言

以氮化物、硼化物等陶瓷材料為基底的硬質(zhì)涂層，能夠在惡劣的環(huán)境下對(duì)結(jié)構(gòu)材料提供保護(hù)，因此被廣泛應(yīng)用于工程中。特別是TiN、NbN等過渡族金屬氮化物薄膜，在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要的作用。

TiN薄膜具有高硬度及良好的抗氧化性[1]和化學(xué)惰性[2]等優(yōu)點(diǎn),可顯著延長(zhǎng)工具的加工壽命，從而降低加工過程中由于磨損所產(chǎn)生的成本，TiN薄膜是第一個(gè)產(chǎn)業(yè)化并廣泛應(yīng)用的硬質(zhì)膜[3]。此外，TiN同時(shí)具有良好的生物兼容性，并在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[4]。

關(guān)于NbN薄膜的顯微硬度、膜基結(jié)合力和耐磨性等力學(xué)性能的報(bào)道較少?，F(xiàn)有研究表明NbN薄膜的顯微硬度遠(yuǎn)高于TiN。Larsson等[5]以高速鋼(HSS)為基體沉積了NbN薄膜并采用維氏硬度儀測(cè)得其顯微硬度為34 GPa(測(cè)試載荷為2.5 N)，與顯微硬度為22 GPa的TiN薄膜相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，盡管二者在沉積過程中所采用的基體不同，但此研究結(jié)果仍然能夠?yàn)?種薄膜的顯微硬度提供對(duì)比。Rutherford等[6]以高速鋼為基體沉積的NbN薄膜的耐磨性也明顯高于TiN薄膜。盡管NbN的力學(xué)性能優(yōu)于TiN，但純NbN薄膜對(duì)刀具的保護(hù)效果則低于TiN薄膜[7]，因此研究人員更傾向于研究NbN薄膜的超導(dǎo)性能[8]。

TiNbN薄膜是在TiN薄膜的基礎(chǔ)上添加Nb元素以期獲得比TiN薄膜及NbN薄膜更優(yōu)的力學(xué)性能。研究表明Nb的加入使得TiN薄膜的硬度及耐磨性均得到顯著提升，Cicek等[9]在M2基體上沉積的TiNbN薄膜的硬度為35 GPa，相比于TiN(硬度為21 GPa)有了顯著的提高。

耐磨性對(duì)高速切削工具的涂層至關(guān)重要，在切削過程中刀具涂層的工作溫度高達(dá)900 ℃[10],因此對(duì)刀具涂層的熱穩(wěn)定性的要求較高。立方系(c - )TiAlN涂層會(huì)在高溫下發(fā)生調(diào)幅分解，導(dǎo)致c - TiN和c - AlN相的富集，從而發(fā)生自硬化現(xiàn)象，繼而使得硬度得到提高，因此其被廣泛應(yīng)用于刀具加工領(lǐng)域[11]。然而隨著加工速度的不斷提升，加工時(shí)的溫度也逐漸增加，當(dāng)加工溫度高于1 000 ℃時(shí),c - TiN和c - AlN相則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱较?h - )AlN,導(dǎo)致涂層硬度迅速降低。為了改善此種現(xiàn)象，可在TiAlN涂層中加入Nb元素制得TiAlNbN薄膜，以提高涂層在高溫下的性能。

在鋼和高溫合金中加入Nb元素進(jìn)行合金化能夠有效地提高合金的蠕變強(qiáng)度、延展性和抗氧化性[12]。與其它過渡金屬氮化物相比，NbN薄膜具有超導(dǎo)性、更好的耐磨性能等優(yōu)異的性能。因此，在TiN和TiAlN中加入Nb元素以改善膜層在使用過程出現(xiàn)的硬度、抗高溫氧化性等性能不能滿足加工需求的問題已經(jīng)成為了重要的研究方向。

1 常用的TiNbN硬質(zhì)膜制備技術(shù)

硬質(zhì)膜沉積技術(shù)主要為物理氣相沉積法即PVD，該技術(shù)采用濺射或蒸發(fā)等物理氣相方法，在真空環(huán)境中對(duì)襯底進(jìn)行鍍覆[13]?，F(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的PVD技術(shù)是多弧離子鍍和磁控濺射技術(shù)。

多弧離子鍍技術(shù)是在真空蒸發(fā)和真空濺射2種鍍膜技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種技術(shù)，其原理為：具有極高能量的電弧在陰極靶面上迅速移動(dòng)，從而形成微小的熔池，使得陰極靶面劇烈蒸發(fā)，并在真空腔內(nèi)形成由高度電離的金屬蒸汽所組成的等離子體[14]，在負(fù)偏壓的作用下等離子體飛向基體表面，并在飛行的過程中與反應(yīng)氣體進(jìn)行反應(yīng)，最終在基體表面成膜。磁控濺射技術(shù)則是使原子在離子或者中性原子的沖擊下從靶材脫落，繼而沉積至基體表面形成薄膜。多弧離子鍍技術(shù)和磁控濺射技術(shù)均可采用復(fù)合靶或多個(gè)單靶，如采用Ti和Nb靶制備TiNbN硬質(zhì)膜[15]、采用TiAl和TiNb靶制備TiAlNbN硬質(zhì)膜[16]。

多弧離子鍍的電離率高于磁控濺射技術(shù)的，這使得其具有更高的沉積速率及沉積能量[17]。此外在沉積之前的刻蝕階段，擁有更高的沉積能量表示著它能夠更加有效地清洗和加熱基體表面，甚至能夠敲掉基體內(nèi)部的一些金屬原子。在刻蝕階段，多弧離子鍍技術(shù)能夠使基體表面的粗糙度或缺陷達(dá)到原子級(jí)別，因此采取此種方法制備的薄膜具有較好的膜基結(jié)合力。然而多弧離子鍍技術(shù)的缺陷在于在沉積過程中會(huì)出現(xiàn)宏觀液滴，這是由于靶材中存在一些低熔點(diǎn)的材料如TiAl靶中的Al，或由于蒸發(fā)過程太過迅速導(dǎo)致一些原子在到達(dá)基體前還未被電離，這些中性原子在飛行過程中合并從而形成宏觀液滴[18]。此種宏觀液滴對(duì)精度較高的光學(xué)和電學(xué)薄膜的應(yīng)用影響較大，因此Coll等[19]通過電磁場(chǎng)細(xì)化等離子體的方法消除了宏觀液滴、Wang等[20]使用直管離子濾波大大減少了宏觀液滴。

靶中毒現(xiàn)象和較低的電離率是傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)的缺陷，因而發(fā)展形成了射頻磁控濺射[21]、反應(yīng)磁控濺射[22，23]以及高脈沖磁控濺射[15]等技術(shù)。在射頻磁控濺射技術(shù)中，靶前的等離子體密度大大提高，并且金屬的電離率[24]較傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)相比提高了10倍，因此此種技術(shù)能夠改善由于氮?dú)夥謮哼^高造成的靶中毒現(xiàn)象。還有研究使用高功率脈沖磁控濺射，高功率脈沖磁控濺射技術(shù)可以形成高密度、高電離的等離子體，表現(xiàn)出高的離子能量分布函數(shù)[25-30]。但是由于電離濺射物質(zhì)過度重定向，導(dǎo)致相比于傳統(tǒng)的磁控濺射該技術(shù)的沉積效率較低[26-28]。針對(duì)該缺點(diǎn)，Giudice等[15]指出可以采用高功率脈沖磁控濺射和直流磁控濺射(HiPIMS/DCMS)結(jié)合的方法，試驗(yàn)表明該方法不僅可以提高沉積速率，還可以增強(qiáng)薄膜的硬度。

2 TiNbN硬質(zhì)膜的晶體結(jié)構(gòu)與相組成

TiNbN硬質(zhì)膜一般以固溶體的形式存在，主要表現(xiàn)為面心立方結(jié)構(gòu)，存在(111)、(200)、(220)及(311)晶面的取向。采用閉合非平衡磁控濺射(CFUBMS)技術(shù)以M2和H13為基體，在偏壓為-100 V條件下制備的TiNbN硬質(zhì)膜具有致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)，且膜層與基體之間無明顯缺陷[31]。采用相同的技術(shù)，在不同的工藝條件下制備的TiNbN硬質(zhì)膜同樣表現(xiàn)出致密的柱狀結(jié)構(gòu)[32]。采用高頻脈沖磁控濺射(HiPIMS)技術(shù)制備的TiNbN薄膜，形態(tài)上表現(xiàn)為光滑的表面，結(jié)構(gòu)上為致密的柱狀晶，具有較低的孔隙率；而采用直流磁控濺射(DCMS)技術(shù)制備的TiNbN薄膜的晶粒為多孔的V形晶粒，薄膜的表面較為粗糙,如圖1[15]。HiPIMS沉積出的薄膜有致密結(jié)構(gòu)可能與薄膜被HiPIMS等離子體離化后的原子轟擊有關(guān)。HiPIMS脈沖能夠產(chǎn)生大量的Ti+、Ti+、N+和N2+，同時(shí)產(chǎn)生Nb+和Nb2+[15]。在采用HiPIMS技術(shù)制備Ti1-xAlxN和Al1-xSixN硬質(zhì)膜時(shí)能夠觀察到同樣的結(jié)果[33，34]。

采用多弧離子鍍技術(shù)制備的TiNbN薄膜，在N2分壓為0.67 Pa時(shí),其晶粒為20 nm的半等軸晶粒；增加N2分壓至1.33 Pa，薄膜與基體接合處的晶粒更為細(xì)小，但接近膜層表面的晶粒平均尺寸則增加到30 nm；在N2分壓為2.00 Pa時(shí)，晶粒為半柱狀晶和等軸晶粒，其平均晶粒尺寸為30 nm；并且與N2分壓為0.67 Pa時(shí)的薄膜厚度2.1 μm相比，N2分壓為2.00 Pa時(shí)薄膜的厚度顯著降低，僅為0.7 μm。這表明N2分壓的增加會(huì)在一定程度上增加薄膜的晶粒尺寸，因此合適的偏壓能夠起到細(xì)化晶粒的作用[35]。

采用CFUBMS技術(shù)分別以M2和H13為基體制備TiNbN硬質(zhì)膜，其擇優(yōu)取向均為穩(wěn)定的(111)取向，且2種薄膜均存在(220)、(311)晶面衍射峰，而(200)晶面只出現(xiàn)在以M2為基體沉積的TiNbN薄膜上，這與薄膜面心立方的晶體結(jié)構(gòu)相符[31]。在采用多弧離子鍍技術(shù)制備的TiNbN硬質(zhì)膜的X射線衍射譜(XRD)中同樣表現(xiàn)出此種晶體取向，并且隨著N2分壓由0.67 Pa增加到2.00 Pa，出現(xiàn)了δ - NbN相(311)晶面衍射峰，這可能是N2含量增加，導(dǎo)致N原子增加造成的[35]。

Giudice等[15]采用高頻脈沖磁控濺射技術(shù)制備了不同Nb含量的TiNbN薄膜，發(fā)現(xiàn)所有薄膜均表現(xiàn)出fcc - NaCl結(jié)構(gòu)，并且以Nb - HiPIMS/Ti - DCMS技術(shù)制備Nb1-xTixN薄膜時(shí)，當(dāng)0≤x≤0.190時(shí)，薄膜的晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為以(111)和(200)為主的多晶結(jié)構(gòu)，但當(dāng)x≥0.300時(shí)，薄膜的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向則轉(zhuǎn)變?yōu)?200)晶面，如圖2所示。而在DCMS/DCMS沉積薄膜的XRD譜中能夠觀察到更強(qiáng)的(200)和(311)晶面取向，這表明其具有更隨機(jī)的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向，并且薄膜中Ti元素的含量對(duì)于(111)晶面的衍射強(qiáng)度影響較小。采用HiPIMS/DCMS技術(shù)制備的TiNbN薄膜，在其擇優(yōu)生長(zhǎng)取向?yàn)?200)晶面時(shí)，利用Debye - Scherrer公式計(jì)算晶粒尺寸，結(jié)果表明，隨著Nb元素含量的減少，晶粒尺寸從10 nm(NbN)變?yōu)?4 nm(TiN)，同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在采用DCMS/DCMS技術(shù)制備的TiNbN薄膜中。這表明隨著Nb元素含量的增加，薄膜出現(xiàn)晶粒細(xì)化的現(xiàn)象，從而在一定程度上提高了薄膜的性能。

3 TiNbN硬質(zhì)膜的性能

3.1 硬 度

硬度是薄膜力學(xué)性能的綜合體現(xiàn)，膜層的晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向以及相結(jié)構(gòu)都將在一定程度上影響膜層的硬度。從制備TiNbN硬質(zhì)膜的技術(shù)來看：磁控濺射技術(shù)能夠制備出晶粒更細(xì)密的膜層，而多弧離子鍍技術(shù)制備過程中具有更強(qiáng)的離子轟擊，因此具有更高的沉積溫度，表面的活化能也就更高，能夠更好地彌補(bǔ)缺陷。例如，采用HiPIMS/DCMS技術(shù)制備的Nb1-xTixN薄膜硬度為30～35 GPa，楊氏模量在320～380 GPa之間，而采用DCMS/DCMS技術(shù)制備的Nb1-xTixN薄膜硬度為15～22 GPa，楊氏模量在185～290 GPa之間，使用后者制備的膜層的硬度和楊氏模量均低于前者，這主要?dú)w功于采用HiPIMS/DCMS技術(shù)制備的硬質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)較為致密以及其具有(111)和(200)晶面的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向[15]。而采用DCMS/DCMS技術(shù)制備的Nb1-xTixN薄膜硬度低則是由于沉積過程中相對(duì)低的基體溫度導(dǎo)致吸附原子的遷移率較低，且出現(xiàn)了更加隨機(jī)的晶體取向和更加粗大的晶粒。在TiNbN薄膜中，納米級(jí)的晶粒能夠阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，使得晶界的滑移變得更加困難。即晶粒尺寸的減小增加了晶界的密度，從而影響了位錯(cuò)的移動(dòng)，最終導(dǎo)致薄膜硬度增加[31]。

元素的摻雜、基體的選擇以及制備過程中的工藝參數(shù)對(duì)薄膜的硬度同樣具有影響，文獻(xiàn)[36]表明Nb元素的加入一定程度上增加了TiN的硬度，比如以高速鋼為基體采用磁過濾電弧離子鍍技術(shù)鍍制TiN硬質(zhì)膜，測(cè)得其硬度為17.7 GPa，其次采用離子注入的方式向TiN硬質(zhì)膜中注入Nb原子，測(cè)得其硬度為19.51 GPa，并且隨著注入Nb原子數(shù)量的增加，膜層的硬度逐漸提高至22.67 GPa。

采用CFUBMS技術(shù)以M2和H13為基體分別制備了TiNbN薄膜，采用納米硬度計(jì)測(cè)量其在2種基體上的硬度分別為35.0 GPa和26.0 GPa，而M2和H13基體的硬度分別為5.6 GPa和3.0 GPa，此研究結(jié)果表明薄膜的硬度在一定程度上取決于基體的硬度[31]。在N2分壓為1.33 Pa，Ti∶Nb=1∶1(原子比),采用多弧離子鍍技術(shù)制備的TiNbN硬質(zhì)膜達(dá)到最高硬度51 GPa，N2分壓的增加到2.00 Pa或者降低至0.67 Pa時(shí)都會(huì)引起硬度的降低[35]。

3.2 結(jié)合力

膜層的附著力受到沉積的基體的影響，通常采用劃痕實(shí)驗(yàn)[37]、壓痕法[38]及高速?zèng)_擊法[39]來測(cè)量薄膜的附著力。生產(chǎn)中增加膜層附著力的方法有：通過在膜層和基體之間增加一層金屬過渡層或在鍍制之前對(duì)基體表面使用高能粒子轟擊對(duì)表面進(jìn)行刻蝕。例如采用CFUBMS制備TiNbN薄膜之前，在偏壓為-800 V的條件下對(duì)基體表面進(jìn)行刻蝕，得到其在M2基體上的結(jié)合力為63 N[31]；同樣在使用CFUBMS鍍制TiNbN薄膜之前，在偏壓為-800 V的條件下對(duì)基體進(jìn)行5 min的刻蝕，其次使用Ti靶在Ar氛圍下鍍制5 min的過渡層，這也有效地保證了膜層的耐磨性能[32]。一般來說，沉積溫度也對(duì)膜層的結(jié)合力存在較大影響[40]，隨著沉積溫度的升高，薄膜的膜基結(jié)合力呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)?；w與膜層之間存在一層擴(kuò)散層，以TiN為例，擴(kuò)散層為Ti原子和N原子，隨著溫度的升高擴(kuò)散層逐漸變厚，因此改善了膜層與基體的結(jié)合力。而溫度過高會(huì)造成基體和膜層的組織惡化從而導(dǎo)致結(jié)合力變低。

3.3 摩擦磨損性能

硬質(zhì)薄膜的耐磨性通常采用摩擦磨損實(shí)驗(yàn)來衡量，隨著加工速度的逐漸增加，TiN的耐磨性能已經(jīng)無法滿足應(yīng)用需求。因此降低膜層的摩擦系數(shù)和磨損率進(jìn)而提高膜層的壽命已成為現(xiàn)階段關(guān)于硬質(zhì)膜性能研究的重要方向。

首先，基體對(duì)膜層的耐磨性能有一定的影響。采用CFUBMS技術(shù)以M2和H13為基體制備TiNbN硬質(zhì)膜，使用恒定20 N的載荷對(duì)其進(jìn)行100，250，500次的循環(huán)磨損實(shí)驗(yàn)，采用掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)得到的2種在不同基體上制備的TiNbN薄膜的表面形貌；根據(jù)掃描電鏡結(jié)果，判斷在M2基體上TiNbN膜層邊沿的斷裂均為脆性斷裂，并且膜層和基體間無黏著磨損現(xiàn)象，這表明該基體上的膜層具有良好的耐磨性能。然而在以H13為基體沉積的TiNbN薄膜表面則產(chǎn)生了黏著磨損現(xiàn)象，因此薄膜表面磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這可能是因?yàn)榛w硬度和膜層的硬度差距比較大，此類現(xiàn)象為影響膜層耐磨性能的重要原因之一[31]。

另一方面，除基體的影響外，不同元素的摻雜也能夠提高膜層的耐磨性能，對(duì)使用CFUBMS制備的TiN薄膜進(jìn)行Nb離子注入，通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)可知，在未注入Nb離子前，膜層的摩擦系數(shù)為0.75，分別以1×1017ions/cm2和5×1017ions/cm2的速度進(jìn)行注入后其摩擦系數(shù)降為0.68和0.60。這是由于在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，Nb原子在表層形成了Nb2O5和NbNxOy，這些化合物能夠在磨損的過程中充當(dāng)潤(rùn)滑劑從而降低摩擦系數(shù)[36]。對(duì)采用CFUBMS技術(shù)制備的TiNbN薄膜分別在空氣和氬氣環(huán)境中進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，得到其摩擦系數(shù)分別為0.09和0.14，顯著低于摩擦系數(shù)為0.20的TiN薄膜；同時(shí)測(cè)得其在空氣環(huán)境中的摩擦系數(shù)和磨損率均低于氬氣環(huán)境所得到的數(shù)據(jù)[32]。這也證明了在空氣環(huán)境中形成的金屬氧化物能夠在磨損中起到良好的潤(rùn)滑作用[41]。也有研究表明膜層的硬度[40]、厚度[42]是影響膜層耐磨性能的重要因素，表面粗糙度[43]的減小，硬度[44]的增加以及厚度[42]的增加是摩擦系數(shù)減小的主要原因。

4 TiAlNbN硬質(zhì)膜

由于TiAlN薄膜在服役溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生調(diào)幅分解，引起硬度降低，而向TiAl合金中添加Nb元素能夠顯著提高合金的蠕變性能[45]、抗氧化性能[46,47]和韌性[48]。因此，通過Nb元素的添加使得TiAlNbN硬質(zhì)膜的抗高溫氧化性和韌性提高成為了現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。

采用電弧離子鍍技術(shù)在馬氏體鋼上鍍制TiAlNbN薄膜，隨著偏壓由0增加至-750 V，薄膜的沉積速率呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)，Al元素的含量由48.2%降低至43.0%(原子分?jǐn)?shù))，而Ti和Nb元素的含量均有一定程度的升高。這可能與原子的質(zhì)量及N原子成鍵的強(qiáng)弱有關(guān)，在膜層中Al原子的質(zhì)量相對(duì)較輕且Al與N的鍵能相對(duì)較小，隨著偏壓的升高，Al原子最容易被反濺射[49]。采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼基體上制備的N梯度TiAlNbN薄膜，隨著偏壓的升高，N和Nb元素都表現(xiàn)出先升高再降低的趨勢(shì)，而Ti和Al元素的含量則逐漸升高。這可能是由于在鍍制梯度膜時(shí)，N含量不斷變化[50]。在制備過程中使用不同的偏壓對(duì)膜層的表面形貌也存在一定的影響，通過觀察薄膜的表面形貌可知，高偏壓在一定程度上能夠抑制大液滴的生成[49，50]。

相組成也是影響膜層性能的重要因素。實(shí)驗(yàn)表明，TiAlNbN薄膜在不同參數(shù)下均具有B1 - NaCl結(jié)構(gòu)，并存在少部分ε - Ti2N相，且偏壓對(duì)膜層的晶體取向存在較大影響。當(dāng)偏壓在0～-300 V范圍內(nèi)時(shí)，薄膜的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向?yàn)?111)晶面；而當(dāng)偏壓增加至-450～-750 V范圍內(nèi)時(shí)，薄膜的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向則轉(zhuǎn)變?yōu)?200)晶面[49]。此外，在偏壓為-100～-200 V范圍內(nèi)鍍制的TiAlNbN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)同樣為B1 - NaCl結(jié)構(gòu)，且擇優(yōu)生長(zhǎng)取向?yàn)?111)晶面[50]。

硬度和膜基結(jié)合力是衡量膜層綜合性能的指標(biāo)。采用多弧離子鍍技術(shù)鍍制TiAlNbN薄膜，在不施加偏壓的條件下，膜層的硬度為17 GPa，當(dāng)偏壓為-150 V或-300 V時(shí)，薄膜具有最大硬度值，且硬度值高達(dá)40 GPa。然而隨著偏壓的增大，薄膜硬度又呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，此種現(xiàn)象可能是由于薄膜的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向由最初的(111)晶面轉(zhuǎn)變?yōu)?200)晶面，此外晶粒尺寸和晶體缺陷等因素對(duì)薄膜硬度同樣存在一定影響[49]。在適當(dāng)?shù)呢?fù)偏壓下能夠得到組織致密、晶粒細(xì)密的薄膜，但負(fù)偏壓較高則會(huì)引起反濺射現(xiàn)象，從而促進(jìn)晶粒的長(zhǎng)大，產(chǎn)生大量的宏觀缺陷，最終導(dǎo)致硬度的下降。此外，在偏壓為-200 V條件下制備的TiAlNbN薄膜的硬度值為34 GPa，顯著高于有著相同原子比例的TiAlN薄膜，這表明Nb原子的加入能夠有效地提高薄膜的硬度，這可能是Nb元素固溶強(qiáng)化作用導(dǎo)致的。采用多弧離子鍍法在M2高速鋼上制備的TiAlNbN薄膜與基體的結(jié)合力大于200 N，產(chǎn)生高膜基結(jié)合力的主要原因是在進(jìn)行鍍制前采用高偏壓對(duì)基體表面進(jìn)行刻蝕，并在膜層和基體之間沉積了一層較薄的金屬過渡層，此外該實(shí)驗(yàn)所制備的薄膜為N梯度膜層，這在一定程度上減少了內(nèi)應(yīng)力的積累，也為較高的結(jié)合力提供了保證[50]。

抗冷熱循環(huán)能力是硬質(zhì)膜的重要的性能指標(biāo)。熱震試驗(yàn)可以模擬硬質(zhì)膜在切削加工中經(jīng)歷的溫度循環(huán)過程，一般采用耐受熱震循環(huán)的次數(shù)來表征膜層抵抗溫度循環(huán)變化沖擊的能力。將TiAlNbN薄膜加熱到650 ℃保溫一段時(shí)間后，迅速將其置入冷水中，待溫度降低后觀察膜層表面是否有裂紋的產(chǎn)生或者膜層的剝落。結(jié)果加入Nb后TiAlNbN薄膜在循環(huán)12～13次后出現(xiàn)裂紋，并且隨著偏壓的增加，次數(shù)增加為13～14次。這是由于薄膜與基材的牢固黏合有助于薄膜的表面保持完整性，另外N的梯度也有效地避免了基體與膜層之間的熱膨脹系數(shù)的突然變化，一定程度上減小了內(nèi)應(yīng)力[50]。Al含量高的膜層能夠更有效地抵抗熱沖擊。通過對(duì)進(jìn)行熱震后的膜層進(jìn)行XRD分析得到，裂紋的產(chǎn)生可能是膜層中的部分N原子被O原子所取代，形成了(TiAlNb)ON涂層，O原子在膜層中引起晶格畸變和應(yīng)力的增加，這也促成了裂紋的產(chǎn)生[51]。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在高溫TiAlNb合金中添加Nb能夠提高其蠕變性能、室溫韌性。在TiNbN硬質(zhì)膜中，Nb的添加改善了其硬度、耐磨性、抗氧化性等性能。而對(duì)于更為復(fù)雜的四組元TiAlNbN硬質(zhì)膜，添加少量Nb已經(jīng)被證明能夠形成B1-NaCl結(jié)構(gòu)，并可改善其硬度和抗熱震性，這也就預(yù)示著，Nb元素本身的抗熱震作用和固溶強(qiáng)化作用在其他含Nb的四組元氮化物硬質(zhì)膜中有望協(xié)同實(shí)現(xiàn)。未來的研究將聚焦于TiAlNbN等含Nb的四組元氮化物硬質(zhì)膜的成分優(yōu)化和相結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)而進(jìn)一步提升膜層的綜合性能。