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多弧离子镀TiAlN涂层探究进展
多弧离子镀TiAlN涂层探究进展 摘 要:文章概述了多弧离子镀TiAlN涂层的研究现状及发展趋势,详细分析了Al元素含量和弧电流、N2流量、基体偏压、温度等工艺参数对TiAlN涂层的结构、硬度、结合力、耐磨性等性能的影响。目前,多弧离子镀TiAlN涂层存在液滴数量多,为了进一步促进多弧离子镀TiAlN涂层的应用,需进一步优化工艺,发展纳米TiAlN涂层。
关键词:多弧;离子镀;TiAlN涂层;研究
多弧离子镀属于离子镀的一种改进方法,最早是由苏联人开发,上世纪80 年代初, 美国的Multi- Arc 公司和Vac- Tec 公司首先把这种技术实用化[1]。其基本原理[2]是在真空腔内,基底与蒸发源施加一电场,当腔体压力适当时,蒸发源与基底之间会产生辉光放电或弧光放电,在和电子碰撞过程中,会形成气体离子和靶材(薄膜材料)的离子,这些离子在电场中被加速飞向基底,于是在离子轰击影响下发生凝结而形成薄膜。多弧离子镀TiAlN涂层是在TiN涂层的基础上发展起来的一种新型三元复合涂层,TiAlN涂层具有更高的硬度、抗高温氧化性、热疲劳性能、耐磨性等特点,目前在模具制造、航空发动机和生物医学等方面已有应用[3-5]。因此,多弧离子镀TiAlN涂层近年来受到广泛地关注。
1 TiAlN涂层的性能
1.1 Al元素对涂层结构的影响
1.3 Al元素对涂层结合力的影响
1.4 Al元素对耐磨性的影响
Al元素对TiAlN 涂层耐磨性的作用具有双重性[16],研究表明,摩擦系数随着Al含量的增加而减小,耐磨性能提高。
1.5 靶材的选择
Al元素的引入可改善涂层结构,提高硬度、结合力和耐磨性,为了在冲压模具上获取更优质性能的涂层,首先应考虑基材与TiAlN涂层的关系,其次最重要的是靶材的选择和工艺参数的优化。张德元[17]研究表明分离靶(Ti靶、Al靶)不利于整炉产品涂层的均匀性,因此,一般来说选择TiAl合金靶作为靶材。
2 多弧离子镀工艺参数对TiAlN涂层的影响
2.1 弧电流对TiAlN涂层的影响
试验研究发现,弧电流与涂层厚度呈正比关系,同时硬度也随着弧电流的增加而增加。但是对于一定的靶材,增加弧电流,意味着靶材整体温度的升高,相应的液滴的产生会随之增多,而且液滴的尺寸也会增大,在沉积的过程中会形成大颗粒,大大降低涂层的各种性能。
图3 不同弧流条件下TiAlN膜层的表面形貌
从图3可以看出,当电流从60 A增大到100 A时,薄膜表面的颗粒尺寸越大,数量也越多,涂层表面的大颗粒缺陷也就越严重,因此,在不影响涂层厚度的情况下,尽量采用低电流。
2.2 N2流量对TiAlN涂层的影响
3 结束语
3.1 多弧离子镀TiAlN涂层由于Al元素的引入可改善涂层结构,提高硬度、结合力和耐磨性。
3.2 选择TiAl合金靶作为阴极靶材,有望获得更加均匀的涂层。
3.3 弧电流为60A,基体偏压为-800V时,TiAlN涂层表面液滴密度和直径较小。
3.4 N2流量为200sccm时,TiAlN涂层硬度高达3300HV。
3.5 为了进一步研究多弧离子镀TiAlN涂层的性能及应用,还需进一步优化工艺参数,获得纳米涂层。
参考文献
[1]蔡 ,表面工程技术工艺方法400种[M],北京:机械工业出版社,2006,271
[2]赵时璐,多弧离子镀Ti-Al-Zr-Cr-N系复合硬质膜的制备、微结构与性能[D],沈阳:东北大学,2010,15-16
[3]Xin Li, Liu Ping, Feng Changjie, et al. Fatigue behavior of (graded) (Ti,Al)N-coated 1Cr11Ni2W2MoV stainless steel at high temperature[J]. Surf Coat Techn, 2010, 204(15): 2417
[4]Zhu Y C, Fujita K, Iwamoto N, et al. Influence of boron ion implantation on the wear resistance of TiAlN Coatings[J]. Surf Coat Techn, 2002, 158-159: 664
[5]Jeong J J, Hwang S K, Lee C M. Nitrogen flow rate dependence of the growth morphology of TiAlN films deposited by reactive sputtering[J]. Surf
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