Al含量及厚度對不銹鋼基體上TiAlN涂層力學性能的影響*

趙升升，郎文昌

（1.深圳職業技術學院 深圳現代設計與制造技術重點實驗室，廣東 深圳 518055；

2.溫州職業技術學院 溫州市材料成型工藝與模具技術重點實驗室，浙江 溫州 325035）

Al含量及厚度對不銹鋼基體上TiAlN涂層力學性能的影響*

趙升升1，郎文昌2

（1.深圳職業技術學院 深圳現代設計與制造技術重點實驗室，廣東 深圳 518055；

2.溫州職業技術學院 溫州市材料成型工藝與模具技術重點實驗室，浙江 溫州 325035）

采用電弧離子鍍方法制備了不同厚度和不同Al含量的TiAlN涂層，討論了Al含量及涂層厚度對其硬度、結合力、殘余應力等力學性能的影響.結果表明，Al含量增加或涂層厚度增加，將導致涂層中大顆粒增加，膜基界面剪切力增大，涂層硬度增加，膜基結合力逐漸下降.

硬質涂層；力學性能；涂層厚度；TiAlN；殘余應力

氮化物涂層因其具有優良的力學性能，被作為硬質防護功能涂層得到廣泛應用.TiAlN涂層是由Al部分取代TiN涂層中的Ti形成的，具有較高的硬度和較好的抗氧化性能，已逐步成為高速干式切削領域最廣泛應用的刀具涂層之一[1-3].目前，國外先進的刀具涂層其厚度已從傳統的3～5μm 提高到10～15μm.在高速鋼刀具表面制備10～15μm的大厚度硬質涂層技術難度高，需要同時考慮涂層應力、膜基結合力和涂層硬度等多方面性能因素.但有關涂層厚度對其力學性能影響的系統性研究，卻鮮見報道.本論文利用電弧離子鍍技術制備系列厚度的TiN和TiAlN涂層，對其成分、截面形貌、硬度、結合力以及涂層應力等進行了系統的研究分析.

1 實驗材料及方法

1.1 涂層的制備

選用 316L雙面拋光的不銹鋼作為基材，其Es和vs分別為 195 GPa和 0.3，基片尺寸為50 mm×10 mm×0.8 mm.沉積涂層前，基片的具體厚度由螺旋測微器測定.采用AIP-01型離子鍍膜機制備單面涂層，分別選用純度為 99.99%的 Ti靶制備TiN，原子比為8:2的TiAl靶制備Ti0.8Al0.2N，原子比為1:1的TiAl靶制備Ti0.5Al0.5N.基片懸掛在真空室的轉架上以保證制備涂層時基片均勻沉積，基片背面進行遮擋以獲得單面鍍膜試片，基片與靶材間距約為150 mm.本底真空為6.0×10-3Pa，沉積前預熱至 100℃；通入 Ar氣，升氣壓至4.0×10-1Pa，加-800 V、占空比為30%的脈沖偏壓對基體表面進行濺射清洗.涂層沉積過程中，脈沖偏壓-100 V（占空比30%），工作氣氛為N2氣，工作氣壓控制為8.0×10-1Pa，弧電壓20 V左右，弧電流55~60 A.每種靶材，選定沉積時間分別為5 min、10 min、20 min和40 min，制備厚度不同的系列TiN涂層，Ti0.8Al0.2N涂層和Ti0.5Al0.5N涂層.

1.2 涂層的表征

利用 ZEISS生產的 SUPRA55型掃描電鏡（SEM）觀察涂層橫截面的顯微形貌，測定涂層厚度，并利用能量色散X射線熒光光譜儀（EDX）測定涂層成分.采用Supro Instruments生產的涂層應力儀測試涂層平均殘余應力.涂層的硬度測試，使用上海華銀公司的顯微維氏硬度計測定，實驗載荷選擇100 g，保載時間10 s.膜基結合力測試采用VDI3198洛氏壓痕評級法[4]，使用帶有120°金剛石圓錐壓頭的洛氏硬度計，選用150 kgf載荷，在試片表面加載12 s，并利用SEM觀察壓痕邊緣涂層破裂的情況.使用 Rigaku生產的D/MAX2500PC型X射線衍射儀，進行相結構分析.

2 實驗結果及討論

2.1 涂層的成分和相結構分析

圖1為不同成分的靶材制備得到的涂層的成分分析結果.如圖所示，分別在3種靶材條件下，形成的涂層中N元素所占比例幾乎不變.在TiAl靶的條件下，雖然部分的Al元素取代了Ti元素，但涂層中 Al元素在 (Ti+Al)中所占的百分含量較靶材中明顯下降，這是沉積過程中金屬元素的反濺射效應導致的.已有理論指出，質量較小的原子容易被濺射；升華能較小的元素容易被濺射[5].在本實驗過程中，活性粒子在基體表面沉積生長的同時也發生著反濺射效應，Al原子質量小于Ti原子質量，且Al元素的升華能比Ti元素低得多，所以Al元素更易發生反濺射，導致其在涂層中的成分比例明顯低于靶材.

X射線衍射結果表明（見圖2），TiN涂層和TiAlN涂層的特征峰完全一致，隨著Al元素含量的增加，特征衍射峰峰位向高角度發生偏移.這是由于Al元素置換了TiN結構中部分的Ti元素，但仍保留了原TiN的NaCl晶體結構.Al原子的原子半徑小于Ti原子，在發生置換時必然導致晶格畸變.Al元素增多，晶格常數變小，進而導致XRD的衍射峰向高角度偏移.

同時，隨著 Al元素的增加，(111)衍射峰明顯的減弱，(200)，(220)衍射峰顯著增強.根據Lee等人的二維模型理論[6]，對于面心立方結構晶體，其晶面的表面能排列為(110)>(100)>(111)，即涂層沉積過程中，隨著活性粒子能量的提高，涂層的擇優取向將從[111]變為[100]，最后變為[110].這表明，Al元素加入，有效提升了沉積中活性粒子的能量，離子流密度相應增加，改善了涂層的組織和力學性能.

圖1 不同靶材制備的涂層元素成分含量

圖2 TiN和TiAlN涂層的XRD衍射

2.2 涂層的截面形貌觀察

不同厚度的TiN和TiAlN涂層的截面形貌如圖3所示.隨著沉積時間的增加，涂層厚度隨之加大.眾所周知，電弧離子鍍工藝中，大顆粒很難避免[7].本工作中，TiN涂層的截面形貌相對致密均勻，大顆粒較少.總體上3個系列厚度的涂層，隨著厚度的增加膜層中的大顆粒在逐漸增多.另一方面，Al含量增加，涂層中大顆粒增加明顯.經EDX成分檢測，大顆粒成分以Ti元素為主.這是由于被Al所替代的部分Ti元素，在還未形成化合物之前就以熔滴的狀態到達基體表面.已有研究指出，主要成分是金屬元素的大顆粒，對涂層應力可以起到一定的釋放作用[8].下面將結合涂層殘余應力測試結果進行分析討論.

2.3 涂層的殘余應力及膜基界面剪切力

TiN和TiAlN涂層的全膜厚平均殘余應力的測試結果，如圖4所示，隨著涂層厚度增加，總體上涂層的壓應力呈現增大趨勢，但趨勢并不明顯.從涂層應力與剪切力的關系示意圖，可以看出，將應力折算為剪切力作用于膜基界面時，剪切力值與涂層的厚度近似成正比.即當全膜厚平均應力值相差不大時，只要涂層越厚，在膜基界面處產生的剪切力就會越大，一旦此剪切力超過了膜基界面的結合力，將導致涂層脫落失效，這是大厚度涂層難于制備的本質原因.

由圖4可見，Ti0.8Al0.2N涂層的殘余應力明顯高于TiN涂層和Ti0.5Al0.5N涂層.我們認為，一方面Al含量的增加，引起晶格畸變增多，導致涂層生長應力增大，涂層殘余應力增加；另一方面，如圖 3所示，Al含量增加導致膜層中大顆粒（熔滴）顯著增多，對應力產生部分的釋放作用，使應力略有下降.所以，結合兩者，Ti0.8Al0.2N涂層的殘余壓應力相對較高.

圖3 不同厚度的TiN和TiAlN涂層的截面形貌

圖4 不同厚度的TiN和TiAlN涂層的應力與膜基界面剪切力

2.4 涂層的硬度和結合力

硬度測試的結果如圖5所示，由于基體材料為奧氏體不銹鋼，硬度遠遠低于TiN和TiAlN涂層，當涂層厚度較薄時，硬度實測結果（Measured Results）將明顯受到基體影響.文獻[9]針對脆性硬質涂層，建立了壓痕變形數學模型，通過計算可去除基體硬度對測試結果的影響，可得到涂層硬度值（Calculated Results）.如圖所示，隨著涂層厚度的增加，涂層硬度逐漸增加；當涂層厚度超過 10μm，實測硬度值與計算的涂層硬度值基本一致，基體影響可忽略不計.

從不同厚度的TiN和TiAlN涂層的膜基結合力測試結果（見圖6），可以看出，隨著涂層厚度的增加，膜基結合力呈顯著下降趨勢，涂層較薄時，壓痕邊緣十分完整，隨著涂層厚度增大，壓痕邊緣出現裂紋.這是由于涂層厚度增大，由涂層應力引起的膜基界面剪切力明顯增大，膜基結合力隨之下降.在大厚度情況下，TiN和TiAlN涂層的壓痕出現了明顯的徑向裂紋，表明其結合力較差.在涂層厚度相近的情況下，隨著Al含量的增加，膜基結合力顯著變差，主要是因為Al元素增加不僅使涂層的應力有所增加，而且膜層間的大顆粒導致膜層的致密性下降，微觀結構產生明顯不連續性.在TiAlN涂層設計中，需要綜合考慮Al含量、涂層厚度及所需的力學性能等因素，才能最終得到與應用相適應的TiAlN涂層.

圖5 不同厚度的TiN和TiAlN涂層的顯微硬度

圖6 不同厚度的TiN和TiAlN涂層的壓痕形貌

3 結 論

通過選取不同Al含量的靶材及控制沉積時間，利用電弧離子鍍技術，制備的不同厚度的 TiN和TiAlN系列涂層，對涂層形貌觀察和力學性能測試得出如下結論：

1）涂層中Al含量隨靶材中Al元素成分比例的增多而增多，但由于反濺射效應，涂層中 Al元素在 (Ti+Al)中所占的百分含量較靶材中明顯偏低；

2）Al元素增加有助于提高沉積中活性粒子的能量；

3）隨Al含量或涂層厚度的增加，膜層中大顆粒增多，涂層硬度增大，而膜基結合力顯著下降；

4）涂層殘余應力，并未隨涂層厚度增加而顯著增大，但由應力引起的膜基界面剪切力隨膜厚顯著增大，近似正比例關系.

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Effects of Al Content and Thickness on Mechanical Properties of TiAlN Coatings on Stainless Steel Substrate

ZHAO Shengsheng1*, LANG Wenchang2

（1.Shenzhen Key Laboratory of Modern Design and Manufacturing Technology, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China;2.Key Lab of Material Processing and Mold Technology, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, Zhejiang 325035, China）

The TiAlN coatings with different Al content and different thickness were deposited by Arc Ion Plating (AIP). The mechanical properties of the coatings, such as hardness, adhesion, residual stresses, were systematically studied. The results show that with the increasing of Al content or the thickness of coating, the drops in the coatings, the hardness and the shear force on the interface between film and substrate areto increase, while the adhesion decreases.

hard films; mechanical properties; thickness of coating; TiAlN; residual stress

TG174.444

A

1672-0318（2016）05-0026-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2016.05.006

2015-12-03

*項目來源：國家自然科學基金項目（No.51401128）；深圳市科技計劃項目（No.JCYJ20140508155916426）；浙江省自然科學基金（No. LQ12E01003）

趙升升（1979-），男，滿族，遼寧人，副教授，博士. 主要研究領域為硬質薄膜及其力學性能.