多弧离子镀膜技术的主要工艺参数与涂层性能的关系
发布时间：2016-12-05
由于影响涂层质量的因素多而复杂，因此研究工艺参数与涂层性能指标之间的关系，以实现涂层性能预测与工艺优化设计，始终是研究人员致力的目标。国内外研究表明多弧离子镀膜的主要工艺参数有：基体沉积温度、反应气体压强与流量、靶源电流、基体负偏压、基体沉积时间等。实验对多弧离子镀制备TiC薄膜的工艺与性能进行了研究，得出各工艺参数对涂层显微硬度和涂层/基体结合力的影响程度。对显微硬度影响程度的主次顺序是反应气体流量、沉积时间、基体负偏压、靶源电流；对涂层/基体结合力影响程度的主次顺序是沉积时间、反应气体流量、基体负偏压、靶源电流。实验采用多弧离子镀方法制备了TiN/Cu纳米复合涂层，研究了工艺参数对涂层硬度的影响，结果表明对显微硬度影响程度的主次顺序是反应气体压强、沉积时间、基体沉积温度、基体负偏压。
基体沉积温度基体沉积温度对涂层的生成、生长及涂层的性能产生直接的影响。根据吉布斯的吸附原理可知，温度越高基体对气体杂质的吸附越少。因此，一般说来，基体沉积温度高，有利于涂层的生成、生长，增大沉积速率；也有利于提高涂层与基体的附着力，使涂层晶粒长大，表面平整光亮。但温度太高，会引起晶粒粗大，强度和硬度下降。实验采用多弧离子镀技术在高速钢表面沉积了TiN涂层，研究了不同沉积温度下TiN涂层的表面硬度与涂层/基体的结合力，结果表明在保证基体材料不过热的前提下，提高沉积温度有利于提高TiN涂层的性能。并得出了最佳的沉积温度为500℃，此时TiN涂层的硬度、涂层/基体结合力与刀具性能最佳。对刀具进行涂层时，为使涂层与基体牢固结合，提高涂层质量，需在涂层前将基体加热到一定温度。对于高速钢刀具一般为500℃左右，硬质合金刀具一般在900℃左右。
反应气体压强与流量反应气体的压强与流量大小直接影响涂层的化学成分、组织结构及性能。实验在W18Cr4VCo5高速钢基体上采用多弧离子镀技术制备了TiAlN涂层，研究了N2分压对熔滴形成的影响，结果表明随N2分压的增加，涂层中颗粒和熔滴的密度、直径减小，主要是通过靶材表面零中毒，不形成氮化物从而提高材料的熔点引起的。Kourtev等人指出，随着氮流量的增加，液滴的尺寸不仅会缩小，而且涂层表面的液滴密度也会大大降低，这样必然会改善涂层的表面粗糙度。实验在LF6基体上采用多弧离子镀膜机制备了Ti（C，N）/TiN多元多层涂层，研究了反应气体流量对涂层性能的影响，结果表明在（N2+C2H2）总流量一定的情况下，随C2H2流量增大，Ti（C，N）涂层中C含量增多，使涂层硬度提高，但韧性变差，表面变粗糙。
靶源电流弧斑的数目与靶源电流成正比，阴极斑点的数目随着靶源电流的增大而增加，较多的弧斑可以使燃烧的稳定性增加。实验应用多弧离子镀膜技术在65Mn钢基体上制备了CrN薄膜，结果表明在一定的靶源电流范围内，CrN薄膜厚度随靶源电流的升高而增加，通过对靶源电流大小的控制可以实现对薄膜制备厚度的控制。但是对于一定的靶材，增加靶源电流，意味着靶材整体温度的升高，产生的液滴会随之增多，而且液滴的尺寸也会增大，这些液滴大大降低了涂层的各种性能。一般而言，用于装饰涂层时靶源电流应小些，而对刀具进行涂层时靶源电流可稍微大些。
基体负偏压基体负偏压是多弧离子镀在涂层时的一个不可忽略的工艺参数，基体负偏压在涂层前预轰击时，可以清除工件表面吸附的气体和污染物；在涂层期间，又为离子提供能量使涂层与基体紧密结合。基体负偏压在离子镀中有举足轻重的作用，调整基体负偏压可以调整沉积离子的能量，以控制涂层质量。实验研究了基体负偏压对TiAlN涂层性能的影响，结果表明：涂层表面液滴的密度和直径随基体负偏压的增加而减少；涂层的显微硬度在一定范围内随着负偏压的增加而增加；涂层的速率并不是随着基体负偏压的升高一直提高下去；涂层的孔隙率随着基体负偏压的升高而降低。实验研究了脉冲负偏压对TiAlN/TiN多层膜生长及液滴的影响，结果表明：TiAlN/TiN复合涂层沉积速率随脉冲负偏压峰值的提高先升高后降低；脉冲负偏压对TiAlN/TiN复合涂层的表面形貌有很大影响，液滴的密度和直径随脉冲负偏压峰值的提高而减小。随着负偏压峰值的提高，元素溅射产额的差异增大，涂层中Al元素含量逐渐降低，Ti元素含量逐渐升高。
基体沉积时间涂层显微硬度随着沉积时间的延长，呈现先增大后减小的趋势。在特定的沉积参数下进行涂层时，涂层生长过程中出现应力并产生应力积累，应力足够大时将阻碍后续物料的成膜，故涂层厚度呈非线性增加。随着沉积时间的延长，涂层厚度逐渐增加，显微硬度也逐渐变大。但沉积时间过长时，生长应力会阻碍后续膜的到达，使沉积速率下降，涂层内晶粒之间的应力增加。测定硬度时压头压入涂层，涂层由于局部受力而导致破裂剥落，压头打在较软的基体上，因此硬度测定值下降。随着沉积时间的延长，涂层/基体结合力也呈现先增大后减小的趋势，但沉积时间对结合力的影响低于对显微硬度的影响。
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