金属陶瓷多弧离子镀TiN/TiAlN涂层的结构与性能

　　1、TiN硬质薄膜表层具有高耐磨性和低摩擦系数，这对于提高刀具的寿命具有非常重要的意义。但是，在500℃以上时TiN涂层就倾向于氧化分解，涂层的保护作用剧烈地减少。TiAlN薄膜具有28GPa的显微硬度，其工作温度可以达到800℃。所以，TiAlN涂层的刀具可用于高速切削、干切削，以及一些难加工材料。Knotek等在1985年首次发表了关于TiAlN涂层的研究后，其优异的抗高温氧化能力和良好的使用性能引起了人们极大的关注，已经用多种PVD方法成功制备了该膜。另外研究人员在5CrNiMo热作模具钢基体上沉积了Ti-A1-N系功能梯度薄膜。研究人员在高速钢基体上采用多弧离子镀技术制备了TiAlN薄膜。

 

　　尽管人们采用各种技术制备并研究TiAlN涂层的性能，但迄今为止，还没有关于在Ti(C,N)基金属陶瓷基体上沉积TiAlN涂层的报道。因此。本文采用多弧离子镀技术在Ti(C,N)基金属陶瓷基体上沉积了TiN/TiAlN涂层，并研究了基体材料对涂层的生长模式和涂层形貌、性能等的影响。

 

　　2、实验

 

　　2.1 基体和镀层材料

 

　　Ti(C,N)基金属陶瓷的成分为39.2%TiC-10%TiN-32%Ni-11%Mo-7%WC-0.8%C(质量分数，下同)，经过球磨混料->烘干->加成型剂->压制成型->脱除成型别->真空烧结后，试样在万能工具磨床上用金刚石砂轮磨削成平面，然后用金相水砂纸磨屑、抛光。

 

　　选用Ti靶和TiAl合金靶分别制备TiN和TiAlN涂层。其中Ti靶的纯度为99．999%，TiAl合金靶的Ti，A1含量均为50%。

 

　　2.2 镀层的制备工艺

 

　　采用多弧离子镀技术制备TiN/TiAlN膜。沉积设备为14弧源多弧离子镀膜机，其中纯Ti靶6个，含Ti，Al各50%的TiAl靶8个。

 

　　镀层制备的整个工艺流程为：试样镀层制备前的检查->在三氯乙烯中超生波清洗->汽油清洗(两次)->水洗->酸洗->乙醇清洗->烘干->装炉->离子轰击清洗->制备Ti过渡层->制备TiAlN层->制备TiN表面层->真空冷却->出炉。辅助气体为N2、Ar气体，纯度均为99．999%。

 

　　TiAlN薄膜的沉积工艺为：靶电流60A~70A，偏压为-200v~-400v，N2分压0.32Pa，沉积温度500摄氏度，总沉积时间为120min。试样真空炉冷到80摄氏度出炉。

 

　　2.3 镀层性能的测试与结构分析

 

　　采用原子力显微镜观察测量镀层的表面形貌和均方根粗糙度；采用X射线衍射仪对材料处理前后的相结构进行分析；采用扫描电镜(SEM)观察镀层的表面形貌，并用断口试样测试镀层的厚度。

 

　　用显微硬度计测量镀层的显微硬度，多点测定取其平均值；用镀层附着力自动划痕仪测试镀层的临界载荷并表征其与基体的结合力。

 

　　3、实验结果

 

　　3.1 镀层的表面形貌

 

　　多弧离子镀处理后试样表面呈金黄色。图1为TiN/TiAlN涂层的SEM照片。由图1可以看出，Ti(C,N)基金属陶瓷表面沉积的涂层平整光滑，表面有少量白色圆形Ti颗粒。

图1 Ti(C,N)基金属陶瓷TiN/TLAlN涂层的SEM照片

 

　　3.2 镀层的粗糙度

 

　　图2所示为涂层表面的三维立体形貌图。由图2可知，金属陶瓷基体的涂层结晶完整，在5um×5um范围的均方根粗糙度为20.6nm。

图2 TiN/TiAlN涂层的三维立体形貌图

 

　　3.3 镀层的相组成及结构分析

 

　　图3为TiN/TiAlN涂层的XRD图谱。由图3可知，TiN/TiAlN涂层主要由Ti，Al和N元素组成。多弧离子镀后涂层最表层的衍射峰为TiN：将TiN磨去后，中间层的衍射峰主要为TiAlN；基体金属陶瓷的衍射峰主要是Ti(C,N)和Ni；在最外层和中间层中都发现有基体的衍射峰，只是峰的强度不同。从图3还可以看出，TiN相和TiAlN的(111)峰与(200)峰的强度比远远大于没有择优取向时这两个峰的强度比值0.75，即TiN和TiAlN相均存在强烈的(111)择优取向。

 

　　3.4 镀层的性能

 

　　硬度测试结果表明，金属陶瓷经多弧离子镀TiN/TiAlN涂层后，其显微硬度均达到2808HK，而未处理的金属陶瓷基体显微硬度在1650HK左右。

 

　　图4所示为金属陶瓷多弧离子镀TiN/TiAlN后的断口组织形貌。由图4可见，TiN/TiAlN组织均匀，涂层与基体之间没有剥离现象。测试结果表明，TiN/TiAlN镀层厚度约为3um。

图4 金属陶瓷多弧离子镀后横断面的SEM照片(上部为TiN/TiAlN镀层)

 

　　图5为材料断面从基体到涂层的各主要元素的线分布。由图5可见，Al的含量从涂层内部到表面逐渐增大，呈现梯度分布特征。

 

　　3.5 镀层的结合力

 

　　涂层附着力测试结果表明，TiN/TiAlN涂层与金属陶瓷之间的临界载荷为57.52N。图6为TiN/TiAlN涂层划痕的SEM照片。由图6可以看出，金属陶瓷基体上的TiN/TiAlN涂层剥落过程比较复杂，载荷增加到57.52N时，出现了膜基界面开裂现象，但是随后膜基开裂并不连续，而是经过一定距离后再次出现膜基开裂现象，两次开裂之间的划痕沟也比较平直，并且涂层的破裂面具有解理台阶。

图5 TiN/TiAlN涂层的线分布

图6 TiN/TiAlN涂层划痕的SEM照片

 

　　4、结论

 

　　1)多弧离子镀TiN/TiAlN涂层后试样表面为金黄色。涂层平整光滑，均方根粗糙度为20.6nm。

 

　　2)金属陶瓷基体多弧离子镀后涂层最表层为TiN，中间层主要为TiAlN，基体金属陶瓷主要为Ti(C,N)和Ni。TiN相和TiAlN相均存在强烈的(111)择优取向。

 

　　3)经多弧离子镀TiN/TiAlN涂层后，其显微硬度均达到2808HK。TiN/TiAlN涂层与金属陶瓷之间的临界载荷为57.52N。

 

　　4)TiN/TiAlN涂层组织均匀，Al的含量从涂层内部到表面逐渐增大，呈现梯度分布特征。