王昆侖+辛艷青

摘 要：研究了襯底溫度、氮?dú)饬髁?、脈沖負(fù)偏壓對(duì)多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層性能的影響，設(shè)計(jì)了L9（33）正交試驗(yàn)。利用掃描電子顯微鏡、能譜儀、納米壓痕儀和劃痕儀對(duì)涂層性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明脈沖負(fù)偏壓對(duì)涂層的硬度和表面大顆粒數(shù)量影響最大，襯底溫度對(duì)涂層與襯底之間附著力影響最為明顯。通過比對(duì)正交試驗(yàn)極差值，制定最佳制備工藝，制得的TiAlSiN涂層硬度為39.6GPa，膜基附著力為31.2N。

關(guān)鍵詞：多弧離子鍍；TiAlSiN；硬度；附著力；大顆粒

中圖分類號(hào)：TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0001-03

Abstract： The effects of substrate temperature， nitrogen flow rate and pulse negative bias voltage on the properties of TiAlSiN coatings prepared by multi-arc ion plating were investigated. The properties of the coatings were tested by scanning electron microscope， energy spectrometer， nano-indentation instrument and scratch tester. The results show that the negative pulse bias has the greatest influence on the hardness and the number of large particles on the surface of the coating， and the substrate temperature has the most obvious effect on the adhesion between the coating and the substrate. The hardness of TiAlSiN coating was 39.6GPa and the adhesion of film substrate was 31.2N.

Keywords： Multi-arc ion plating； TiAlSiN； hardness； adhesion； large particle

1 概述

涂層刀具不僅保持了基材的韌性和強(qiáng)度，還具有硬質(zhì)涂層的耐磨性，大大提升了切削刀具的使用壽命。目前單純的TiN無法滿足高速切削對(duì)其綜合性能的要求，已經(jīng)逐步被性能更為優(yōu)良的TiAlN[1]取代。當(dāng)今時(shí)代切削工藝對(duì)涂層耐磨性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性提出了更高的要求。目前，更多的研究開始采用在傳統(tǒng)涂層中摻雜其他元素，以達(dá)到提高涂層綜合性能的目的。摻雜的元素主要有Cr[2]、Y[3]、V[4]、Si[5]、B[6]等。尤其是摻雜Si元素形成的納米TiAlSiN涂層，具有硬度高[7]、摩擦系數(shù)低[8]、熱穩(wěn)定性好[9]等優(yōu)點(diǎn)，在涂層刀具行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

在眾多涂層制備技術(shù)當(dāng)中，采用多弧離子鍍技術(shù)制備的涂層具有膜基結(jié)合力強(qiáng)、沉積速率高、涂層致密等優(yōu)點(diǎn)。然而該技術(shù)中對(duì)制備的硬質(zhì)涂層性能有影響的因素較多，如真空室內(nèi)布局、本底真空度、反應(yīng)氣體、脈沖負(fù)偏壓、襯底溫度、弧源電流大小等。面對(duì)如此眾多的影響因素，調(diào)控合適的工藝參數(shù)對(duì)制備高性能的涂層具有重要意義。正交試驗(yàn)法可以全面考察各因素之間的相互關(guān)系、量化它們之間的相互影響及內(nèi)在聯(lián)系，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。因此，本研究采用正交試驗(yàn)法，研究了襯底溫度、氮?dú)饬髁?、脈沖負(fù)偏壓對(duì)多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層性能的影響，并根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中三個(gè)影響因素對(duì)涂層性能影響的極差R值，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化。

2 試驗(yàn)方法

2.1 涂層制備

TiAlSiN涂層的制備采用TG-18型多弧離子鍍設(shè)備，采用2個(gè)純Ti靶和2個(gè)TiAlSi靶（Ti：Al：Si=5：4：1at.%）。基底材料選用厚度為650μm的P型（100）單面拋光的硅片。硅片在沉積涂層之前，經(jīng)過切割、丙酮超聲清洗、無水乙醇超聲清洗、烘干等工序。涂層制備的真空室本底真空為3×10-4Pa，在沉積TiAlSiN涂層之前，要依次對(duì)基底進(jìn)行輝光清洗、弧光清洗，并沉積Ti/TiN過渡層。涂層沉積過程中Ti靶及TiAlSi靶的電流均為50A，沉積涂層厚度為2.5μm。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以襯底溫度、氮?dú)饬髁?、脈沖負(fù)偏壓為因素，分別以襯底溫度200℃、300℃、400℃，氮?dú)饬髁?00sccm、150sccm、200sccm和基體負(fù)偏壓200V、400V、600，為水平值，設(shè)計(jì)出三因素三水平的L9（33）正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)安排表如表1所示。

2.3 涂層分析

采用FEI-Nova Nano SEM 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察涂層表面及斷面形貌；涂層表面的大顆粒數(shù)量及尺寸分布由Nano Measure軟件分析得出；采用Oxford-Aztec Xmax50型X射線能譜儀（EDS）測定涂層中的元素種類、含量及分布；采用Anton-Paar-NHT2型納米壓痕儀測試涂層硬度；涂層的附著力由中科凱華WS-2005涂層附著力自動(dòng)劃痕儀測定，劃痕長度為5mm。

3 結(jié)果與討論

正交試驗(yàn)中9組樣品的硬度、附著力及大顆粒數(shù)目如表2所示。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可以得出各因素對(duì)涂層硬度影響的關(guān)系，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1中，硬度影響因素的極差值大小為R脈沖負(fù)偏壓=4.11>R襯底溫度=3.61>R氮?dú)饬髁?3.59。上述因素中脈沖負(fù)偏壓對(duì)涂層硬度影響最大。涂層硬度隨著脈沖負(fù)偏壓的升高先增大后有所降低。這是由于脈沖負(fù)偏壓較低時(shí)，粒子能量較小，到達(dá)基體附近的離子呈現(xiàn)無序堆疊狀態(tài)，涂層致密度較低，導(dǎo)致涂層硬度較低；隨著脈沖負(fù)偏壓的增大，出射離子能量增加，與大顆粒之間的碰撞加劇，涂層顆粒細(xì)化，涂層內(nèi)部致密，硬度提高；當(dāng)脈沖負(fù)偏壓進(jìn)一步升高，出射離子能量進(jìn)一步增大，導(dǎo)致基體溫度上升，涂層內(nèi)應(yīng)力升高、內(nèi)部晶格缺陷增多[10]，降低了涂層硬度。endprint

圖2中，附著力影響因素的極差值順序?yàn)镽襯底溫度=2.14>R氮?dú)饬髁?1.51>R脈沖負(fù)偏壓=0.42，上述因素中襯底溫度對(duì)涂層附著力的影響最大壓。涂層的附著力隨著襯底溫度升高一直升高，并且升高幅度較大。這是由于溫度較低時(shí)，基底表面原子活性較低，靶材離化的離子和電離的氮離子到達(dá)襯底表面時(shí)遷移率較低，導(dǎo)致涂層內(nèi)部松軟不致密。此外，基底表面及腔壁內(nèi)吸附在常壓下吸附的雜質(zhì)溫度低時(shí)不能充分排出，而隨著沉積過程中溫度的升高釋放出來，導(dǎo)致涂層中缺陷、位錯(cuò)較多，形成較多的晶格缺陷，涂層內(nèi)部疏松多孔，因而導(dǎo)致涂層硬度和附著力的降低[11]。隨著氮?dú)饬髁康纳咄繉痈街γ黠@降低，這是較高的氣體分子密度導(dǎo)致出射金屬陽離子平均自由程變短，碰撞加劇，到達(dá)基底表面能量降低造成的。脈沖負(fù)偏壓的變化對(duì)于涂層附著力的影響不大。

圖3中，大顆粒數(shù)量影響因素的極差值順序?yàn)镽脈沖負(fù)偏壓=108.00>R襯底溫度=60.33>R氮?dú)饬髁?48.33，上述因素中脈沖負(fù)偏壓對(duì)涂層表面大顆粒數(shù)目影響最大。隨著脈沖負(fù)偏壓的升高，涂層表面大顆粒數(shù)目明顯減少。這是由于從靶面出射的金屬陽離子，在到達(dá)基底之間的這段距離會(huì)受到脈沖負(fù)偏壓電場的作用而獲得二次加速的能量。隨著偏壓值的升高，金屬陽離子獲得更大的能量，以更高的速度沖向基底，與原本結(jié)合不牢固的大顆粒團(tuán)簇碰撞，并將其打散或擊碎，因此涂層表面大顆粒數(shù)目減少；其次有研究發(fā)現(xiàn)，若不采用脈沖負(fù)偏壓，大金屬團(tuán)簇在等離子體區(qū)運(yùn)動(dòng)過程中帶正電[12]；而在脈沖負(fù)偏壓模式下，所有帶電基團(tuán)均處于高頻率震蕩狀態(tài)，且電子比其它陽離子質(zhì)量小得多，相同電壓下移動(dòng)速度更快，等離子體區(qū)內(nèi)電子不斷得到補(bǔ)充，因此在脈沖負(fù)偏壓模式下，金屬團(tuán)簇表面富集更多電子，由于電場斥力的原因，到達(dá)基底的大顆粒有所降低[13]。由于上述兩個(gè)因素，使得TiAlSiN涂層表面的大顆粒數(shù)量隨著脈沖負(fù)偏壓的增大逐漸減少。

根據(jù)上述正交實(shí)驗(yàn)得到的極差R值，對(duì)多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化后的工藝為：脈沖負(fù)偏壓400V、襯底溫度300℃、氬氣流量20sccm、氮?dú)饬髁?50sccm、弧靶電流50A、涂層總厚度2.5μm。以該工藝制備了一組TiAlSiN涂層，該涂層的表面形貌如圖4（A）所示，圖中較暗的區(qū)域?yàn)橹旅艿腡iAlSiN涂層，細(xì)膩平整；亮色顆粒物為多弧離子鍍中的大金屬液滴團(tuán)簇，尺寸較小，數(shù)量較少。涂層表面元素能譜儀統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，涂層內(nèi)Ti、Al、Si、N元素含量分別為：21.3%、23.5%、4.4%、50.8%。

對(duì)TiAlSiN涂層進(jìn)行了納米壓痕測試，其測試過程加載卸載曲線如圖5（A）所示，最大壓入深度為202.1nm，最大載荷為17.9mN，壓痕殘余深度為62.1nm。根據(jù)Oliver&Pharr計(jì)算方法，可以計(jì)算得到涂層的硬度為39.6GPa，相比于較TiN和TiAlN的硬度值[13]，較大提高。對(duì)涂層的膜基附著力進(jìn)行劃痕測試，測試過程的聲發(fā)射曲線如圖5（B）所示。與顯微鏡照片相對(duì)應(yīng)可以看出，當(dāng)載荷為28N左右時(shí)，涂層出現(xiàn)部分剝離，當(dāng)載荷增加到31.2N時(shí)，涂層與基體完全脫離。

4 結(jié)束語

本文采用了正交實(shí)驗(yàn)法，研究了襯底溫度、氮?dú)饬髁亢兔}沖負(fù)偏壓對(duì)多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層性能的影響趨勢及程度，結(jié)果表明脈沖負(fù)偏壓對(duì)涂層硬度和表面大顆粒數(shù)量影響最大，襯底溫度對(duì)涂層附著力影響最為明顯。

通過對(duì)制備工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)多弧離子鍍工藝參數(shù)為脈沖負(fù)偏壓400V、襯底溫度300℃、氬氣流量20sccm、氮?dú)饬髁?50sccm、弧靶電流50A、涂層總厚度2.5μm時(shí)，制備的TiAlSiN涂層綜合性能最佳。涂層表面結(jié)晶細(xì)膩，致密度高。涂層中Ti、Al、Si、N元素含量分別為21.3%、23.5%、4.4%、50.8%。該涂層的硬度和附著力分別高達(dá)39.6GPa和31.2N。

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