物理气相沉积TiAlN涂层Word格式.docx

物理气相沉积TiAlN涂层Word格式.docx

《物理气相沉积TiAlN涂层Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理气相沉积TiAlN涂层Word格式.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

关键词：

TiAIN涂层制备方法晶体结构硬度高温抗氧化性综述

RecentprogressesinphysicalvapordepositedTiAINcoating

CAOHuaweiZHANGChengyuQIAOShenruCAOXiaoyu

（NationalKeyLaboratoryofThermostructureCompositeMaterials,NorthwesternPolytechnicaI

University,Xi'

a710072,China）

Abstract:

TheresearchanddevelopmentofphysicalvapordepositedTiAINcoatingsaresummarizedinthepaper.Thepreparationmethods,aluminumcontent,nitrogenflowrate,substratebias,temperatureandalloyingelementshadsignificanteffectsonthepropertiesofTiAINcoatings,includingcrystalstructure,hardness,hightemperatureoxidationresistaneeandcorrosionresistanee.Althoughthecoatingwasusedinmanyapplications,thereweremanydrawbackswhichlimititsperformanee,suchashighresidualstress,formationoflargedropletsandpoordensity.Forfurtherapplication,newpreparationmethodshouldbeexplored.Meanwhile,theoptimizationoftheprocessingtechnologyshouldbemade.Itispotentialtodevelopmultiplenano-compositecoatingandsuperlatticemulti-layercoatinginthefuture.

Keywords:

TiAINcoatings,preparationmethods,crystalstructure,hardness,hightemperatureoxidationresistanee,review

0前言

*国家自然科学基金面上项目（50702045）;

高等学校博士学科点专项科研基金（20070699007）和新世纪优秀人才支持计划（NCET-08-0460）

第一作者：

曹华伟（1986〜），河南周口，男，西北工业大学超高温结构复合材料实验室研究生、主要研究多

弧离子镀TiAIN涂层的结构与性能。

E-maiI:

caohuawei19860401@

通信地址：

陕西省西安市友谊西路127号西北工业大学547信箱

目前利用物理气相沉积技术（PhysicalVaporDeposition,PVD）制备薄膜或涂层对金属进行表面改性已经取得很好的使用效果。

氮化钛（TiN）涂层具有较高的硬度和良好的耐磨性，能够提高刀具、钻头等工具的寿命⑴，但抗高温氧化性能较差，在550C时已经开始氧化[2]。

随着现代工业的发展，TiN涂层已经不能满足切削刀具行业的要求，迫切需要新涂层材料的出现。

PVD方法制备的氮化钛铝（TiAlN）涂层是在二元TiN涂层的基础上发展起来的一种新型三元复合涂层。

在TiAlN涂层中，Al原子取代了TiN面心立方结构中位于面心的部分Ti原子，使晶格发生畸变、晶界增多，同时位错数量增多且不易于滑移，因此其硬度显著高于TiN涂层[3,4]。

高温条件下，TiAlN涂层表面能形成致密、完整、连续的Al2O3保护膜，提高

了涂层的抗高温氧化性[5,6]。

此外，TiAlN涂层还具有膜基结合强度高、耐腐蚀性和耐磨性好等特点[7-9]，目前已成功应用于模具制造、航空发动机和生物医学等方面[8-11]。

因此TiAlN被认为是较TiN更有前途的新型涂层材料，近年来受到广泛地关注。

本文分析了制备方法、Al元素含量、N2流量、基体偏压、温度以及其他元素对TiAlN

涂层的结构、硬度、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能的影响，讨论了存在的问题并提出了今后的研究方向。

1涂层的制备方法

PVD是利用物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。

目前用PVD过程制备TiAlN涂层主要方法有溅射法、电弧离子镀膜法和磁控溅射离子镀膜法[5,12-18]。

溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向由被溅

射物质制成的靶电极，在离子能量合适的条件下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将其溅射出来，被溅射出的原子带有一定的动能，并沿着一定的方向射向衬底，从而实现涂层的沉积。

由于沉积原子具有较高的能量，因此由溅射法制备的涂层较致密、附着力较高。

此外，对合金涂层成分的可控制性较好。

因此，溅射法可以方便地应用于高熔点物质的溅射和涂层的制备。

电弧离子镀是在真空环境下利用阴极靶放电产生金属离子,定向沉积至加载负偏压的

工件上的涂层技术。

其主要优点是离化率高、离子流密度大、能量高、沉积速度快、涂层与基体结合力好[19]。

磁控溅射离子镀膜法是在电弧离子度的基础上发展起来的，通过增加磁场来控制电子和离子的运动速度以达到减小涂层表面大颗粒数量的目的。

这种复合离子镀的方法既能制备纯

既能制备单层涂层又能制备多层复合

金属涂层，又能制备金属化合物涂层或复合材料涂层，涂层。

2工艺参数对TiAIN涂层性能的影响

2.1氮气流量对涂层结构和性能的影响

制备TiAIN涂层的工作气氛由氮气（N2）和氩气（Ar）组成，工作气压的变化不仅影响电弧放电，同时随工作气压的变化，离子运动的自由程发生改变，使运动离子的能量改变，从而

影响涂层的沉积速率、组织结构和性能。

Jeong［20］等利用反应溅射法制备出具有（200）择优取

向柱状晶的TiAIN涂层。

研究发现随N2分压的减小，（200）衍射峰的强度和宽度都减小，涂层的致密度也减小。

文献［21-23］也得到相似的结论。

Bujak［24］采用Ti-AI合金靶材利用真空

电弧离子镀技术沉积TiAlN膜层，并研究N2分压对膜层表面形貌、硬度的影响，结果发现增大N2分压能够降低膜层表面的大颗粒污染，改善膜层表面粗糙度。

图1为不同N2分压下

涂层的表面形貌。

涂层硬度随N2分压的增大先增大后减小，随后基本保持不变。

图1不同N2分压下制备TiAlN涂层的SEM图［24］

Fig.1SEMimagesofTiAlNcoatingsdepositedwithdifferentnitrogenpressure.

工作气压通过影响涂层的成分、组织结构对涂层硬度产生影响。

图2显示了TiAlN涂

层硬度和膜基临界结合强度与N2流量的关系曲线。

当N2流量为100sccm-200sccm（standard

cubiccentimeterperminute,sccm）时，涂层中金属合金相的含量随N2流量的增大而减小，使

得涂层的硬度增大。

但当N2流量超过200sccm时，随着N2流量的增大涂层相结构的择优取

向由（111）晶面向（200）晶面转变，涂层的致密度降低，硬度逐渐降低；

之后随N2流量的增大,

涂层相结构中（111）和（200）晶面衍射峰强度比值变化不大，因此涂层的硬度基本保持不变。

较低N2流量下制备的涂层的硬度较低，可能是因为涂层中N含量不足生成了较软Ti2AlN

相。

由于离子运动的自由程随N2流量的增大而降低，离子能量降低，从而对基体的轰击作

用减弱，因此涂层与基体的结合强度下降。

Nitrogenflowrate（seem）

图2不同N2流量对TiAlN涂层的硬度和临界结合强度的影响（涂层厚度为47jm）［25］

Fig.2EffectsofnitrogenflowrateonhardnessandadhesionstrengthofTiAlNcoatingswiththicknessof4~7m.

2.2基体偏压对涂层结构和性能的影响

在电弧离子镀膜过程中，沉积室被等离子体气氛填充。

等离子体中含有大量的离子、电

子和中性粒子。

当在基体上施加偏压时，等离子体中的离子被加速而具有一定的能量，在电

场的作用下沿一定方向轰击基体，与基体表面原子发生能量交换使基体升温。

基体温度的高

低会影响涂层的硬度、涂层与基体的结合力等。

因此选择合适的基体偏压可以改善涂层结构、组织和性能。

张皓扬等［26］采用多弧离子镀沉积TiAlN涂层时发现：

增加沉积过程中的基体负偏压，

TiAlN涂层表面熔滴的密度和直径减小，涂层的显微硬度增加，孔隙率降低。

Vlasveld等［27］

利用电弧蒸发物理气相沉积的方法制备的TiAlN涂层具有（111）的择优取向。

研究发现：

基体

偏压从-50V增大-250V时，涂层的残余应力由-7.67GPa增大到-11.81GPa,涂层的硬度随基体偏压由-50V增大-150V时从26.3GPa增大到31.7GPa，而之后再增大基体偏压涂层的硬度变化不大。

文献［22］和［28-30］得到了相似的结论。

随基体偏压的增大，正离子对基体的轰击能量增大，将与基体表面结合较弱的大颗粒重新溅射出去，使涂层的结构变致密，涂层与基

体的结合力和硬度增大。

但当基体偏压过高时，反溅射增大，沉积速率下降，生成的涂层产

生缺陷，同时还造成基体退火，导致硬度值有所下降。

2.3基体温度对涂层结构和性能的影响

涂层在基体表面的生长过程分为两个不同阶段，即新相的形核与涂层的生长。

基体温度

的高低会影响到基体对靶材原子的吸附和靶材原子在其表面的迁移，因此对涂层的结构产生

影响，从而影响涂层的性能。

文献[31]研究发现：

涂层的显微硬度和耐磨性随基体温度的增

加而提高，在基体温度为480C时，涂层的显微硬度和耐磨性具有最优值。

3TiAIN涂层的性能

3.1AI元素对涂层结构的影响

Al原子半径（Rai=0.143n