脈沖N離子束輔助電弧離子鍍沉積TiAlN膜層的研究.pdf

1、TiAIN膜層具有高的硬度、高耐磨性、低的摩擦系數(shù)、膜基良好的結(jié)合力，特別具有穩(wěn)定的抗高溫氧化的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在切削加工領(lǐng)域。TiAlN膜層刀具是現(xiàn)在膜層刀具的標(biāo)志。目前沉積TiAlN膜層工藝有反應(yīng)磁控濺射、射頻磁控濺射、電弧離子鍍、電子束離子鍍、離子束輔助沉積。在各種沉積技術(shù)中，電弧離子鍍技術(shù)以其鮮明的技術(shù)特點(diǎn)成為工業(yè)應(yīng)用中的主流技術(shù)。相對(duì)于其它沉積技術(shù)，具有成膜速度快、膜層致密、膜基結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn)，但電弧離子鍍的沉積原理

2、基于冷陰極弧光放電，這就決定了在膜層表面不可避免地存在“大顆?！?。這些“大顆粒”的存在，不但在膜層中形成了硬度軟點(diǎn)，而且遮擋了后續(xù)原子的沉積，致使膜層的硬度和膜基結(jié)合力下降，降低了膜層的使用性能。因此，“大顆粒”的存在嚴(yán)重地限制了電弧離子鍍技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。
　　 本文旨在將脈沖離子束技術(shù)引入到電弧離子鍍技術(shù)中，即采用不同能量的脈沖N離子束對(duì)電弧離子鍍沉積的TiAlN膜層進(jìn)行不同階段的轟擊，消除膜層表面的“大顆?！?、提高膜

3、層的硬度和膜基結(jié)合力，進(jìn)而提高膜層的使用性能。轟擊的不同階段包括：(1)電弧離子鍍沉積膜層之前，脈沖N離子束對(duì)基材的預(yù)轟擊處理；（2)電弧離子鍍沉積時(shí)，脈沖N離子束的輔助沉積；(3)電弧離子鍍沉積結(jié)束，脈沖N離子束的后處理轟擊。采用UVN0.5D2I俄羅斯離子束輔助電弧離子鍍沉積設(shè)備，在高速鋼W18Cr4V基材上沉積TiAIN膜層，利用N離子束對(duì)電弧離子鍍沉積TiAlN膜層的三個(gè)不同沉積階段進(jìn)行轟擊。利用掃描電鏡(SEM)及附帶的能譜分

4、析(EDAX)、粗糙度儀、原子力顯微鏡(AFM)、X-射線衍射分析(XRD)、ASE-430S俄歇電子能譜儀、顯微硬度計(jì)、劃痕實(shí)驗(yàn)機(jī)、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)、硅碳棒熱處理爐以及鹽水靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)等分析手段，對(duì)不同能量的脈沖N離子束轟擊的基材和膜層進(jìn)行研究分析，得到如下研究結(jié)果：
　　 電弧離子鍍沉積膜層之前，脈沖N離子束對(duì)基材的預(yù)轟擊處理。脈沖N離子束轟擊使基材表面原有的劃痕消失、表面重熔，得到了光滑、致密、厚度約為2-2.5μm的改性層

5、。當(dāng)轟擊能量為5keV時(shí)，改性層由(Cr，F(xiàn)e)、CrN、Cr2N和FeN相組成；當(dāng)轟擊能量為10keV時(shí)，改性層的(Cr，F(xiàn)e）相結(jié)構(gòu)不變，Cr2N衍射峰減弱，CrN、FeN衍射峰增強(qiáng)；當(dāng)轟擊能量為15keV時(shí)，F(xiàn)eN衍射峰消失，出現(xiàn)FezN衍射峰，Cr2N衍射峰繼續(xù)減弱，CrN衍射峰繼續(xù)增強(qiáng)。當(dāng)N離子轟擊為10keV時(shí)，改性層的粗糙度最低Ra0.6，顯微硬度最高達(dá)1230HV0.01。電弧離子鍍沉積時(shí)，脈沖N離子束的輔助沉積。N離子

6、束輔助轟擊，明顯降低了膜層中“大顆?！钡臄?shù)量和尺寸，得到了光滑、連續(xù)、致密的TiAIN膜層。隨著N離子轟擊能量的增加，膜層的相組成沒(méi)有發(fā)生變化，只是Ti2A1N相逐漸向(Ti，A1)N相轉(zhuǎn)變，Ti2A1N取向逐漸減弱，而(Ti，AI)N相逐漸增強(qiáng)，由低晶面指數(shù)(111)向高晶面指數(shù)(200)和(220)生長(zhǎng)。在膜層沉積初期，N離子束轟擊，拓展了過(guò)渡層的寬度。過(guò)渡層的存在提高了膜層的硬度和膜基結(jié)合力。當(dāng)基材未采用N離子束預(yù)轟擊處理，直接在

7、基材上電弧離子鍍沉積TiAlN膜層，其硬度為1900N HV0.01，膜基結(jié)合力為35N，而含有過(guò)渡層的TiAlN膜層，其硬度升高到2100 HV0.01，膜基結(jié)合力增大到55N。N離子束轟擊，改變了膜層成分的含量，即增加了N元素含量，降低了A1元素的含量。當(dāng)N轟擊能量為7.5keV時(shí)，膜層組成為Ti0.63Al0.37N，此時(shí)膜層的硬度由N離子轟擊能量為0keV時(shí)的2100HV0.01升至最高為2530HV0.01，膜基結(jié)合力由N離子

8、轟擊能量為0keV時(shí)的55N增加到最高為80N。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，N離子束轟擊能量為7.5keV時(shí)，膜層的摩擦系數(shù)由原始的0.3降至0.13，膜層的耐磨性增加了兩倍以上。高溫氧化試驗(yàn)表明，N離子束轟擊明顯提高了膜層的抗高溫氧化性，使膜層的抗氧化溫度由原始的700℃提高到800℃。鹽水靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)表明，N離子束轟擊明顯提高了膜層的耐腐蝕能力，使膜層的耐腐蝕性提高了兩倍以上。
　　 電弧離子鍍沉積結(jié)束，脈沖N離子束的后處理轟擊。N離

9、子束轟擊消除了膜層表面的“大顆粒”，凹坑變得淺而平整，膜層連續(xù)、光滑、致密，膜基界面由清晰變?yōu)槟：?。N離子束轟擊在膜基界面處形成了一定厚度的擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層是膜基結(jié)合力提高的主要原因。N離子束轟擊沒(méi)有改變膜層的相組成，膜層中的Ti2A1N相向（Ti，A1)N相轉(zhuǎn)變，Ti2AIN相取向減弱，(Ti，AI)N取向增強(qiáng)，由低晶面指數(shù)(111）向高晶面指數(shù)(200)和(220)生長(zhǎng)。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，N離子轟擊能量為5keV時(shí)，膜層表面出現(xiàn)輕微