高功率脉冲磁控溅射CrN、AlCrN和AlCrSiN涂层的制备研究

摘要

涂层作为硬质合金刀具最外面的保护层，可以减小刀具与工件之间的摩擦，提高刀具的耐磨性，使得刀具寿命得到提升，从而降低加工成本。目前，物理涂层技术中磁控溅射和离子镀膜是硬质合金刀具涂层中较流行的技术。高功率脉冲磁控溅射技术（High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS）既可以拥有传统磁控溅射的较低温度制备涂层、涂层内部液滴可控和表面粗糙度好等的优点，也能拥有电弧离子镀的沉积速率高，涂层的结合强度好等优点，具有很大的发展潜力。
　　本文主要基于HIPIMS对常见PVD涂层(CrN、AlCrN和AlCrSiN涂层)的制备，系统研究了不同HIPIMS参数（功率，频率，基体偏压等）对HIPIMS靶工作状态，涂层生长特性，涂层组织结构及涂层性能的影响。主要结论如下:
　　(1)HIPIMS制备CrN涂层:随着偏压的增加，CrN涂层的柱状晶由粗大变得细小，晶粒也从粗变小;偏压增加到-200V时，无明显的柱状晶，表面是火山口状的特征。在-30V、-60V和-100V偏压下，择优取向主要是CrN(200);在-150V和-200V时，CrN涂层的主要衍射峰形宽而弥散。硬度、杨氏模量和内应力，都是随着偏压的增大而逐步上升的，都在-150V时达到最大值，然后降低。在洛氏压痕上的表现都是HF1;在纳米划痕测试中，不同基体偏压的表现都有所差异，但Lc最低也有56N。平均摩擦系数（室温）在0.5～0.75。CrN涂层在加工PCB板上的表现，在小批量的测试中，涂层的微钻表现性能比不涂层的耐磨一些。
　　(2)HIPIMS制备AlCrN涂层:随着偏压的增加，AlCrN涂层的柱状晶由粗大变得细小，晶粒也从粗变小;偏压增加到-100V时，晶粒细化很好，表面质量好;偏压再升高，晶粒再生长，柱状晶又重新长大了。AlCrN涂层出现了明显的CrN衍射峰，其择优取向为CrN(111)，CrN(200)和CrN(220)。硬度和杨氏模量都是随着偏压的增大而逐步上升的，都在-100V和-150V时达到最大值，此时的弹性变形能力和抗塑性变形能力也最佳。涂层的内应力也有同样的规律体现，并且表现的都是压应力。
　　(3)HIPIMS制备AlCrSiN涂层:由于在不同基体偏压或者不同频率下，AlCrSiN涂层的Si含量都超过了13％，几乎全部都是无定型的晶体状态。硬度和杨氏模量都是随着偏压的增大而逐步上升的，-100V时达到最大值，但此时的弹性变形能力和抗塑性变形能力也最差;涂层的内应力也有同样的规律体现，并且表现的都是压应力。不同频率的AlCrSiN一样都是压应力，随着频率的增大，应力先升高后再逐步降低;与不同偏压时的AlCrSiN不同，涂层的硬度没有随着频率规律变化。在结合力方面的表现非常差。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及其意义

1．2 刀具涂层的发展概况

1．3 化学气相沉积法制备刀具涂层

1．4 物理气相沉积法制备刀具涂层

1．4．1 传统的物理气相沉积法

1．4．2 高功率脉冲磁控溅射法

1．5 刀具涂层材料的发展

1．5．1 CrN涂层的发展

1．5．2 AlCrN涂层的发展

1．5．3 AlCrSiN涂层的发展

1．6 本课题来源与主要研究内容

1．6．1 课题来源

1．6．2 主要研究内容

第二章 涂层的制备及分析测试方法

2．1 技术路线

2．2 镀膜设备的选择

2．2 实验前的准备

2．2．1 材料选择

2．2．2 镀膜前处理

2．3 涂层结构和成分的表征方法

2．4 涂层的力学性能分析

2．5 CrN的钻削实验

第三章 高功率脉冲磁控溅射制备CrN涂层

3．1 引言

3．2 在不同参数下HIPIMS Cr靶的脉冲电流变化

3．3 不同基体偏压的CrN涂层制备

3．4 结果与讨论

3．5 本章小结

第四章 高功率脉冲磁控溅射制备AlCrN涂层

4．1 引言

4．2 在不同参数下HIPIMS AlCr靶的脉冲电流变化

4．3 不同基体偏压的AlCrN涂层制备

4．4 结果与讨论

4．5 本章小结

第五章 高功率脉冲磁控溅射制备AlCrSiN涂层

5．1 引言

5．2 不同参数下HIPIMS AlCrSiN靶的脉冲电流变化

5．3 不同基体偏压和频率的AlCrSiN涂层制备

5．4 结果与讨论

5．4．1 不同基体偏压对AlCrSiN涂层的影响

5．4．2 不同频率对AlCrSiN涂层的影响

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢