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文檔簡介
1、20世紀末以來,材料的表面處理、表面改性技術迅猛發(fā)展,在學術研究和工業(yè)化生產(chǎn)中都取得了豐碩的成果。真空離子鍍技術是當今應用領域最廣、最先進的表面處理技術之一,其中采用多弧離子鍍技術沉積的硬質(zhì)涂層以其優(yōu)異的結構和機械性能倍受青睞。目前,多弧離子鍍技術沉積TiN涂層依然是高速切削刀具表面防護的主要措施。然而TiN的抗氧化溫度只有500℃,這限制了其應用廣度。為了提高涂層的抗氧化溫度,多元合金化合物涂層得到了廣泛研究,TiAlSiN涂層就是其
2、中之一。與TiN涂層相比,TiAlSiN涂層具有更高的硬度和抗氧化溫度;另外Si元素的摻入又限制了TiAlN涂層中柱狀晶的生長,因此TiAlSiN涂層有望成為性能更好的硬質(zhì)防護涂層。目前,文獻報道的TiAlSiN涂層制備技術主要包括:空心陰極電弧離子鍍、磁控濺射離子鍍和多弧離子鍍等。其中,多弧離子鍍技術具有靶材離化率高、涂層細膩以及設備構造簡單、價格便宜等優(yōu)點。多弧離子鍍技術制備涂層時,對涂層性能都有較大影響的工藝參數(shù)較多,如沉積溫度、
3、反應氣體流量、脈沖偏壓等。此外,陰極靶磁場空間分布也會直接影響靶表面的等離子體的分布以及離化狀況,從而影響涂層質(zhì)量。為此,本論文系統(tǒng)研究了沉積溫度、氮氣流量和脈沖偏壓對TiAlSiN涂層性能的影響,同時也研究了脈沖磁場輔助對多弧離子鍍沉積TiAlSiN涂層性能的影響。
(1)采用正交實驗法,以沉積溫度、氮氣流量和脈沖偏壓為主要影響因素,設計3因素3水平的正交實驗,測定各因素條件下制備的涂層的硬度、附著力以及表面大顆粒數(shù)目,根據(jù)
4、正交實驗結果對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。結果如下:當弧源電流50A、沉積溫度300℃、氬氣流量20sccm、氮氣流量150sccm、脈沖偏壓400V(占空比40%)、沉積時間2h時TiAlSiN涂層綜合性能較好;用此參數(shù)沉積TiAlSiN涂層,Ti、Al、Si、N原子含量分別為21.31%、23.51%、4.37%、50.81%,表面大尺寸顆粒主要成分為金屬Ti;通過涂層截面的SEM圖像和EDS圖譜發(fā)現(xiàn),涂層與基底之間形成了擴散層,有效的提高了
5、涂層的附著力;該涂層的硬度為39.56GPa,附著力為31.16N。
(2)研究了襯底溫度對涂層性能的影響。當沉積溫度從200℃升高到400℃時,涂層表面大顆粒數(shù)目總體減少,大尺寸(直徑>1μm)大顆粒數(shù)目呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。沉積溫度為300℃時,涂層表面的大尺寸顆粒數(shù)目最少;涂層的硬度和附著力隨襯底溫度升高單調(diào)增加,這是由于沉積溫度的升高,提高了粒子反應活性,改善了涂層內(nèi)部的結晶狀況,XRD圖譜結果證實了此結論。
6、 (3)研究了氮氣流量對涂層性能的影響。當?shù)獨饬髁繌?00sccm增加到200sccm,涂層表面大顆粒逐漸減少,這是高氮氣環(huán)境導致的“靶中毒”和氣體增加等離子體平均自由程變短導致碰撞幾率升高共同影響的結果;涂層硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,適當?shù)牡獨饬髁繉iAlSiN生長有利,但過高的氮氣流量導致涂層結晶程度降低,從而降低了涂層的硬度;涂層的附著力呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢,這是隨著氮氣流量的增加,涂層內(nèi)N元素含量升高,涂層陶瓷化明顯,內(nèi)應力
7、逐漸增大造成的。
(4)研究了脈沖偏壓對涂層性能的影響。當偏壓從200V升高到600V時,涂層表面大顆粒數(shù)目逐漸減少,大顆粒尺寸細化,當偏壓為600V時,高能離子的轟擊造成涂層表面和大顆粒外沿出現(xiàn)凹陷;涂層的硬度和附著力都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當脈沖偏壓為400V時,分別達到最高值38.60GPa和30.66N。通過XRD圖譜發(fā)現(xiàn),隨著偏壓的上升,高能離子轟擊使得涂層具有良好的結晶狀況。當偏壓高于400V時,涂層的力學性能出
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