不锈钢表面磁控溅射Ti(Zr,Si)N涂层的制备与力学性能研究.pdf

摘要

氮化物涂层有较高的硬度、化学稳定性、耐磨性，在车辆工程、机械加工、

芯片生产等领域都有着广阔的应用。通过设计氮化物涂层的成分，使用不同工

艺改变其结构，从而沉积具有高硬度、热稳定性等综合性能的涂层，是研究人

员重点关注的问题。本论文结合TiZrN涂层优异的耐磨性和Si掺杂TiZrSiN涂

层的高温稳定性与超硬特性，通过共溅射的方式，混合使用直流磁控溅射(Direct

CurrentMagnetronSputtering,DCMS)与高能脉冲磁控溅射(HighPowerImpulse

MagnetronSputtering,HiPIMS)制备性能优异的TiZrSiN涂层。希望提升钛系氮

化物涂层的服役能力，拓宽其应用场景。本论文主要研究成果如下：

使用DCMS溅射Ti50Zr50合金靶，在不同Ar/N2流量下得到不同的TiZrN

涂层。发现N2通入可避免成分偏析，使涂层成分分布均匀。这归因于N2充足，

靶表面形成高熔点TiZrN化合物，放缓沉积速率，从而提升涂层表面质量。结

果表明Ar:N=3:1的TiZrN涂层显示最高硬度(35.5GPa)与结合力(47.28N)。

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使用DCMS共溅射Ti靶与Zr靶，得到不同Zr含量的TiZrN涂层。制备

过程中发现适量Zr的加入提高了涂层亲水性。结果表明20.3at.%ZrTiZrN涂

层对比商用TiN涂层，硬度从27.5GPa提升到35GPa、平均摩擦系数由0.61

降低到0.35，耐磨性大幅提升，这归因于沉积过程中获得了更强的Zr-N键。

研究了HiPIMS对TiZrSiN涂层微观结构与性能的影响，并对比分析了与

DCMS制备的TiZrSiN涂层之间的性能差异。制备过程中发现HiPIMS相比于

DCMS，入射离子数量与能量大幅提升。结果表明，HiPIMS占空比5%工艺下

制备的TiZrSiN涂层硬度高达40.5GPa，结合力100N，且柱状晶体内存在纳

米晶体，推测这与低占空比增加了金属离子之间的碰撞次数有关。

使用HiPIMS共溅射Ti50Zr50合金靶与导电Si靶制备TiZrSiN涂层。制备

过程中发现涂层出现了明显择优取向，I(111)/[I(111)+I(200)]从0.493提升到0.795。

力学性能对比商用TiN，硬度提升46%，耐磨性提升71%，在3.5%NaCl溶液

中腐蚀速率降低99%。此外，对其进行800℃到1200℃的退火试验，测试其高

温性能。结果表明，商用TiN在800℃开始氧化，高温硬度为23.8±0.8Gpa，

而HiPIMS制备的TiZrSiN在1200℃开始氧化，高温硬度为40.3±1.6GPa。这

得益于β-SiN相与硅氧化物的形成，阻碍了氧气向涂层内部扩散，保护了能

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量较高的Zr-N键，提高了TiZrSiN涂层热稳定性能。

关键词：TiZrN/TiZrSiN涂层；硬度；耐磨性；高能脉冲磁控溅射；

ABSTRACT

Nitridecoatinghastheadvantagesofhighhardness,highchemicalstability,

goodwearresistance.Optimizingthecompositionandstructureofnitridecoatings

toobtainpropertiessuchashighhardness,toughness,andthermalstabilityhas

alwaysbeenaconcernforresearchers.Thisworkcombinestheexcellentwear

resistanceofTiZrNcoatingwiththehightemperaturestability