多弧离子镀制备TiAlN薄膜的工艺及其性能研究

摘要

多弧离子镀技术作为物理气相沉积的一种方法，尤其适合于在金属表面制备各种金属化合物薄膜或高熔点金属膜层，因此自上世纪80年代以来得到了迅猛的发展，成为目前最先进的镀膜技术之一。 目前工模具表面硬化涂层主要以TiN为主，各种技术制备TiN薄膜的研究有很多，并已投入进了工业应用，但是TiN的抗氧化温度不高(550℃)，在特殊环境的使用过程中容易氧化失效。人们发现在TiN中添加其它元素(Cr、Al、Zr、C、Si等)，或者进行多层化(TiN/Ti、TiN/VN、TiN/CrN等)处理都可以有效改善涂层性能，目前针对TiN的研究一般集中在这两个方向。 TiAlN膜层具有优良的高温耐蚀和抗氧化性能，而且具有比TiN更高的硬度及更加优良的耐磨性能，作为耐磨膜层具有非常广阔的应用前景。本论文采用多弧离子镀技术在高速钢W18Cr4V基材上制备了TiAlN膜层，并对TiAlN薄膜的性能做了初步探讨。 论文研究了沉积工艺参数如N2分压、铝靶电流、负偏压和沉积温度等对膜层性能的影响规律；还重点研究了A1含量对薄膜的化学成分、微观结构(相组成、织构取向、致密性等)、力学性能(硬度、膜基结合强度、摩擦磨损性能等)、耐蚀性及抗氧化性能的影响。 研究结果表明：Ti靶电流80A，Al靶电流70A、基体温度550℃(高速钢)、负偏压100V、氮气分压1Pa、沉积时问60min时TiAlN薄膜具有最佳的综合性能。 在此工艺下沉积的Ti1-xAlxN涂层，除(Ti,Al)N相外，还含有一定量的(Ti2,Al)N相，不同Al含量的(Ti,Al)N都具有沿(111)面的择优取向。Ti1-xAlxN涂层的硬度、结合强度和耐磨损性能都随Al含量的增加先升高后降低，这是由于薄膜中Al含量的变化引起薄膜的晶体结构、择优取向的变化和晶格畸变等因素造成的，且各自最大值对应的Al含量相同，当Al含量在25﹪左右的(Ti,Al)N薄膜硬度达到HV0.052780，耐磨性能良好，结合强度高，具有最佳的综合性能。 薄膜腐蚀试验和极化曲线表明，(Ti,Al)N涂层比TiN涂层具有更好的抗腐蚀能力。抗氧化性能试验证明，TiAlN薄膜具有比TiN薄膜更优异抗氧化性能。随Al含量的变化，Ti1-xAlxN抗氧化性能发生变化。当Al含量超过一定值时(≥25﹪)，在800℃抗氧化性能明显提高。薄膜的抗氧化机理是Al原子扩散至表面形成Al2O3氧化层保护薄膜，对氧化膜/氮化膜界面内的扩散起阻碍作用，从而防止了氮化膜的进一步氧化。综合Ti1-xAlxN薄膜的力学性能以及耐蚀、抗氧化性能，Al含量在25﹪左右时，可以得到性能最好的薄膜。

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1气相沉积技术简介

1.1.1 PVD法

1.1.2 CVD法

1.2离子镀沉积技术

1.3多弧离子镀技术

1.3.1多弧离子镀原理

1.3.2多弧离子镀工艺参数

1.3.3多弧离子镀技术的应用

1.3.4电弧离子镀技术的发展

1.4金属高温氧化及保护

1.4.1纯金属的氧化

1.4.2合金的氧化及防护

1.4 TiN基薄膜的研究进展

1.4.1 TiN基薄膜多层化发展

1.4.2 TiN基薄膜的双重处理

1.4.3 TiN基薄膜多元化发展

1.5 TiAlN膜层特点及国内外研究现状

1.5.1 TiAlN膜层特点

1.5.2 TiAlN国内外研究现状

1.6本研究的内容及意义

1.6.1本研究的内容

1.6.2本研究的关键问题

1.7本研究执行的技术路线

第二章试验设备及方法

2.1试验材料

2.1.1基体材料

2.1.2涂层材料

2.2镀膜设备

2.3试验前基体试样的预处理

2.4试验步骤

2.4.1辉光清洗

2.4.2弧光清洗

2.4.3镀TiAlN膜

2.5性能检测

2.5.1结合力的测定

2.5.2硬度的测定

2.5.3耐磨性的检测

2.5.4表面形貌、显微结构的观测及薄膜的物相分析

2.5.5膜层的抗氧化性能试验

第三章多弧离子镀TiAlN薄膜沉积工艺研究

3.1涂层制备工艺参数分析

3.1.1正交试验结果及分析

3.1.2 N2分压对TiAlN薄膜性能的影响

3.1.3负偏压对TiAlN薄膜性能的影响

3.1.4沉积时间对TiAlN薄膜性能的影响

3.2最佳工艺下制备TiAlN薄膜的形貌观察及物相分析

第四章Al含量对Ti1-xAlxN薄膜结构及性能的影响

4.1制备工艺

4.2多弧离子镀薄膜试验结果

4.2.1薄膜成分

4.2.2薄膜的表面和截面形貌

4.2.3薄膜的组织结构

4.2.4薄膜的力学性能

4.2.5 TiAlN薄膜的耐腐蚀性能

4.2.6 TiAlN薄膜的抗氧化性能

第五章结论

参考文献

致 谢

附 录