TiAlN塗層及微觀組織結構研究

2021-02-18 工具技術

刀具塗層可提高材料的加工效率和精度，並延長刀具的使用壽命，在乾式切削、高速切削和數控加工等機械製造領域得到了廣泛應用。TiAlN塗層具有耐磨性高、熱硬性好、附著力強、摩擦係數小和導熱率低等優點，可大幅度提高硬質合金刀具的使用性能，滿足塗層刀具的高性能要求。

本文通過試驗調整工藝參數來製備TiAlN塗層並研究其對塗層微觀結構的影響。在磁控濺射離子鍍的基礎上採取脈衝偏壓電源及非平衡磁場來增加離化率，即採用中頻非平衡磁控濺射法在硬質合金基體表面製備TiAlN塗層。應用正交分析法，研究偏壓、N2流量、Ti/Al和沉積時間等工藝參數對塗層微觀組織結構的影響，包括表面形貌、原子組分、相結構以及擇優取向。

1   試驗方法

以鎢鈷類硬質合金作為基體材料，並採用以下方法進行基體材料處理：首先用超聲波清洗10min；然後經蒸餾水衝洗後吹乾再充分烘乾；最後放置在真空沉積室。

試驗設備為改進後的CH850型離子鍍膜機，所用靶材為Ti/Al合金靶。先預熱擴散泵60min，抽低真空後通入N2與Ar，然後開高壓閥抽真空至所需的2-3Pa；預熱燈絲60min，離化源加熱60min，隨即開啟偏壓電源清洗基體，開靶電源，並按照表1中的工藝參數鍍膜。

表1 試驗方案

採用DX-1000型X射線衍射儀對樣品進行物相檢測，採用荷蘭FEI公司InspectF型場發射掃描電子顯微鏡進行表面和斷口形貌分析，Oxford INCA Petafetx3的X射線能譜分析儀分析元素含量。

2   試驗結果與分析

(1) TiAlN塗層的表面形貌分析

如圖1所示，在SEM放大500倍下，1號樣品表面凸凹不平，晶粒尺寸大小不均勻；2號和3號樣品表面慢慢趨於光滑；4號樣品的表面最平整和光滑，組織均勻且結構緻密。這是因為在一定的水平內，偏壓增加，Ar離子對靶材的轟擊作用增強。濺射出的靶材原子能量升高，在到達基體表面時仍有足夠的能量在基體表面進行擴散和遷移，使塗層表面更平整。與此同時，結合力弱的粒子被轟擊下來，減少了凸凹不平的機率。此外，高能量的靶材原子濺射到基體時，能間接地加快基體原子的擴散和遷移，使晶粒細化、塗層更均勻和緻密。

圖1 樣品表面形貌圖

(2) TiAlN塗層斷口形貌分析

機械打碎四組樣品，在掃描電鏡下觀察其斷口形貌(見圖2)。1號樣品厚度2μm，斷口形貌不平整；2號樣品厚度1.08μm，3號2.16μm，4號3.76μm。分析結果可知，隨著膜層厚度增加，基體與膜層間的分界面變清晰，膜層結構趨向緻密。這是因為在沉積過程中原子之間互相擴散而形成混合層。膜層越薄，互擴散層越明顯，分界面就越模糊。此外，晶粒的擇優取向生長也會導致塗層表面整體呈現高低不平的狀態，基體溫度升高，原子間的互擴散更充分均勻，塗層與基體的結合更緊密。

圖2 樣品斷口形貌

隨著膜層鋁原子含量增加，可填補表面的空隙和缺陷，有利於晶粒的細化和生長，並改善膜層緻密性和促使斷面形貌平整。

(3) TiAlN塗層能譜及XRD分析

如圖3和表2所示，通過EDS能譜分析樣品的元素含量。表3中，Al/Ti按升序排列，1、3、4、2號樣品中Al/Ti分別為0.94、1.00、2.17、2.42。在其它參數不變時，4號和2號樣品的鋁元素含量呈較大的下降趨勢，而鈦元素含量則相反。當偏壓為25V時，2號樣品的比值為2.42；當偏壓增至30V時，下降至2.17。原因是鋁的離化率為50%，鈦為80%。此外，隨著偏壓的增大，帶負電的基體能吸收更多鈦離子。並且，當鍍膜室氣壓一定時，Ar流量的變化會使工作室內Ar分壓發生變化，加上Ti原子與Al原子的濺射產額不同和的刻蝕效果，共同導致Al/Ti變化。另外，隨著N2流量的增加，Ti/Al合金靶會中毒，尤其是Al元素中毒更嚴重，這也會導致塗層原子比降低。

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號

圖3 樣品能譜圖

(4) TiAlN塗層的物相結構分析

圖4-圖7為4種樣品的XRD衍射譜。由圖可知，1、2、4號樣品出現了WC基體相，3號樣品出現了WN相，原因是3號的N2流量最大且N原子更易與金屬反應。此外，基體峰的寬度較大，證明TiAlN和TiN的組織晶粒相比基體更細小。四組樣品中均有TiN相，這是因為Al成焓較小，TiAlN由Al原子置換TiN中的Ti形成。原子的半徑不同，生成晶格畸變，使晶格常數減小。

表2 樣品的組分表

表3 四組樣品各元素的原子百分比

擇優取向分析如表4所示。分析表明，除1號樣品外，其餘塗層中TiAlN相(111)晶面比(200)晶面優先生長。這是因為TiAlN是面心立方結構，1號優先。

表4 樣品的擇優取向

圖4 1號樣品XRD衍射譜圖

圖5 2號樣品XRD衍射譜圖

圖6 3號樣品XRD衍射譜圖

圖7 4號樣品XRD衍射譜圖

(200)生長的原因可能是N2流量較低、氬離子的轟擊作用較強，使原子有足夠的能量沿(200)生長。I(111)/I(200)的變化規律表明，在鍍膜室內氣壓一定時，隨著N2流量的增加和氬氣濃度的降低，轟擊作用會減弱。沉積離子的能量增大，離子活性增強，塗層中的應變能量起主導作用。由於(111)為體心立方密排面，所需能量最低，原子優先沿此晶面生長，以此來降低體系的能量。

小結

(1)在一定水平內，偏壓增大，離子濺射能力增強。基體與塗層的分界面越明顯，塗層表面形貌越平整，結構越緻密。

(2)EDS能譜發現，偏壓升高，鋁原子和鈦原子離化率和N2流量的不同導致Al/Ti原子百分比呈下降趨勢。

(3)XRD物相分析發現，有TiAlN系和TiN的相結構存在，且TiAlN相的衍射峰比基體寬。TiAlN和TiN 峰形相似，塗層優先沿(111)晶面生長，N2流量和Ti/Al影響I(111)/I(200)的比值。

原載《工具技術》  作者：左偉峰  

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