多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層的工藝研究

王昆侖+辛艷青

摘 要：研究了襯底溫度、氮氣流量、脈沖負偏壓對多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層性能的影響，設計了L9（33）正交試驗。利用掃描電子顯微鏡、能譜儀、納米壓痕儀和劃痕儀對涂層性能進行測試。結果表明脈沖負偏壓對涂層的硬度和表面大顆粒數量影響最大，襯底溫度對涂層與襯底之間附著力影響最為明顯。通過比對正交試驗極差值，制定最佳制備工藝，制得的TiAlSiN涂層硬度為39.6GPa，膜基附著力為31.2N。

關鍵詞：多弧離子鍍；TiAlSiN；硬度；附著力；大顆粒

中圖分類號：TG174.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0001-03

Abstract： The effects of substrate temperature， nitrogen flow rate and pulse negative bias voltage on the properties of TiAlSiN coatings prepared by multi-arc ion plating were investigated. The properties of the coatings were tested by scanning electron microscope， energy spectrometer， nano-indentation instrument and scratch tester. The results show that the negative pulse bias has the greatest influence on the hardness and the number of large particles on the surface of the coating， and the substrate temperature has the most obvious effect on the adhesion between the coating and the substrate. The hardness of TiAlSiN coating was 39.6GPa and the adhesion of film substrate was 31.2N.

Keywords： Multi-arc ion plating； TiAlSiN； hardness； adhesion； large particle

1 概述

涂層刀具不僅保持了基材的韌性和強度，還具有硬質涂層的耐磨性，大大提升了切削刀具的使用壽命。目前單純的TiN無法滿足高速切削對其綜合性能的要求，已經逐步被性能更為優良的TiAlN[1]取代。當今時代切削工藝對涂層耐磨性、熱穩定性和抗氧化性提出了更高的要求。目前，更多的研究開始采用在傳統涂層中摻雜其他元素，以達到提高涂層綜合性能的目的。摻雜的元素主要有Cr[2]、Y[3]、V[4]、Si[5]、B[6]等。尤其是摻雜Si元素形成的納米TiAlSiN涂層，具有硬度高[7]、摩擦系數低[8]、熱穩定性好[9]等優點，在涂層刀具行業具有廣闊的應用前景。

在眾多涂層制備技術當中，采用多弧離子鍍技術制備的涂層具有膜基結合力強、沉積速率高、涂層致密等優點。然而該技術中對制備的硬質涂層性能有影響的因素較多，如真空室內布局、本底真空度、反應氣體、脈沖負偏壓、襯底溫度、弧源電流大小等。面對如此眾多的影響因素，調控合適的工藝參數對制備高性能的涂層具有重要意義。正交試驗法可以全面考察各因素之間的相互關系、量化它們之間的相互影響及內在聯系，從而優化實驗條件。因此，本研究采用正交試驗法，研究了襯底溫度、氮氣流量、脈沖負偏壓對多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層性能的影響，并根據正交實驗結果中三個影響因素對涂層性能影響的極差R值，對實驗條件進行優化。

2 試驗方法

2.1 涂層制備

TiAlSiN涂層的制備采用TG-18型多弧離子鍍設備，采用2個純Ti靶和2個TiAlSi靶（Ti：Al：Si=5：4：1at.%）。基底材料選用厚度為650μm的P型（100）單面拋光的硅片。硅片在沉積涂層之前，經過切割、丙酮超聲清洗、無水乙醇超聲清洗、烘干等工序。涂層制備的真空室本底真空為3×10-4Pa，在沉積TiAlSiN涂層之前，要依次對基底進行輝光清洗、弧光清洗，并沉積Ti/TiN過渡層。涂層沉積過程中Ti靶及TiAlSi靶的電流均為50A，沉積涂層厚度為2.5μm。

2.2 正交試驗設計

以襯底溫度、氮氣流量、脈沖負偏壓為因素，分別以襯底溫度200℃、300℃、400℃，氮氣流量100sccm、150sccm、200sccm和基體負偏壓200V、400V、600，為水平值，設計出三因素三水平的L9（33）正交試驗，正交試驗安排表如表1所示。

2.3 涂層分析

采用FEI-Nova Nano SEM 450型場發射掃描電子顯微鏡觀察涂層表面及斷面形貌；涂層表面的大顆粒數量及尺寸分布由Nano Measure軟件分析得出；采用Oxford-Aztec Xmax50型X射線能譜儀（EDS）測定涂層中的元素種類、含量及分布；采用Anton-Paar-NHT2型納米壓痕儀測試涂層硬度；涂層的附著力由中科凱華WS-2005涂層附著力自動劃痕儀測定，劃痕長度為5mm。

3 結果與討論

正交試驗中9組樣品的硬度、附著力及大顆粒數目如表2所示。根據正交試驗結果可以得出各因素對涂層硬度影響的關系，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1中，硬度影響因素的極差值大小為R脈沖負偏壓=4.11>R襯底溫度=3.61>R氮氣流量=3.59。上述因素中脈沖負偏壓對涂層硬度影響最大。涂層硬度隨著脈沖負偏壓的升高先增大后有所降低。這是由于脈沖負偏壓較低時，粒子能量較小，到達基體附近的離子呈現無序堆疊狀態，涂層致密度較低，導致涂層硬度較低；隨著脈沖負偏壓的增大，出射離子能量增加，與大顆粒之間的碰撞加劇，涂層顆粒細化，涂層內部致密，硬度提高；當脈沖負偏壓進一步升高，出射離子能量進一步增大，導致基體溫度上升，涂層內應力升高、內部晶格缺陷增多[10]，降低了涂層硬度。endprint

圖2中，附著力影響因素的極差值順序為R襯底溫度=2.14>R氮氣流量=1.51>R脈沖負偏壓=0.42，上述因素中襯底溫度對涂層附著力的影響最大壓。涂層的附著力隨著襯底溫度升高一直升高，并且升高幅度較大。這是由于溫度較低時，基底表面原子活性較低，靶材離化的離子和電離的氮離子到達襯底表面時遷移率較低，導致涂層內部松軟不致密。此外，基底表面及腔壁內吸附在常壓下吸附的雜質溫度低時不能充分排出，而隨著沉積過程中溫度的升高釋放出來，導致涂層中缺陷、位錯較多，形成較多的晶格缺陷，涂層內部疏松多孔，因而導致涂層硬度和附著力的降低[11]。隨著氮氣流量的升高涂層附著力明顯降低，這是較高的氣體分子密度導致出射金屬陽離子平均自由程變短，碰撞加劇，到達基底表面能量降低造成的。脈沖負偏壓的變化對于涂層附著力的影響不大。

圖3中，大顆粒數量影響因素的極差值順序為R脈沖負偏壓=108.00>R襯底溫度=60.33>R氮氣流量=48.33，上述因素中脈沖負偏壓對涂層表面大顆粒數目影響最大。隨著脈沖負偏壓的升高，涂層表面大顆粒數目明顯減少。這是由于從靶面出射的金屬陽離子，在到達基底之間的這段距離會受到脈沖負偏壓電場的作用而獲得二次加速的能量。隨著偏壓值的升高，金屬陽離子獲得更大的能量，以更高的速度沖向基底，與原本結合不牢固的大顆粒團簇碰撞，并將其打散或擊碎，因此涂層表面大顆粒數目減少；其次有研究發現，若不采用脈沖負偏壓，大金屬團簇在等離子體區運動過程中帶正電[12]；而在脈沖負偏壓模式下，所有帶電基團均處于高頻率震蕩狀態，且電子比其它陽離子質量小得多，相同電壓下移動速度更快，等離子體區內電子不斷得到補充，因此在脈沖負偏壓模式下，金屬團簇表面富集更多電子，由于電場斥力的原因，到達基底的大顆粒有所降低[13]。由于上述兩個因素，使得TiAlSiN涂層表面的大顆粒數量隨著脈沖負偏壓的增大逐漸減少。

根據上述正交實驗得到的極差R值，對多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層的參數進行優化，經優化后的工藝為：脈沖負偏壓400V、襯底溫度300℃、氬氣流量20sccm、氮氣流量150sccm、弧靶電流50A、涂層總厚度2.5μm。以該工藝制備了一組TiAlSiN涂層，該涂層的表面形貌如圖4（A）所示，圖中較暗的區域為致密的TiAlSiN涂層，細膩平整；亮色顆粒物為多弧離子鍍中的大金屬液滴團簇，尺寸較小，數量較少。涂層表面元素能譜儀統計分析結果表明，涂層內Ti、Al、Si、N元素含量分別為：21.3%、23.5%、4.4%、50.8%。

對TiAlSiN涂層進行了納米壓痕測試，其測試過程加載卸載曲線如圖5（A）所示，最大壓入深度為202.1nm，最大載荷為17.9mN，壓痕殘余深度為62.1nm。根據Oliver&Pharr計算方法，可以計算得到涂層的硬度為39.6GPa，相比于較TiN和TiAlN的硬度值[13]，較大提高。對涂層的膜基附著力進行劃痕測試，測試過程的聲發射曲線如圖5（B）所示。與顯微鏡照片相對應可以看出，當載荷為28N左右時，涂層出現部分剝離，當載荷增加到31.2N時，涂層與基體完全脫離。

4 結束語

本文采用了正交實驗法，研究了襯底溫度、氮氣流量和脈沖負偏壓對多弧離子鍍制備TiAlSiN涂層性能的影響趨勢及程度，結果表明脈沖負偏壓對涂層硬度和表面大顆粒數量影響最大，襯底溫度對涂層附著力影響最為明顯。

通過對制備工藝參數進行優化，當多弧離子鍍工藝參數為脈沖負偏壓400V、襯底溫度300℃、氬氣流量20sccm、氮氣流量150sccm、弧靶電流50A、涂層總厚度2.5μm時，制備的TiAlSiN涂層綜合性能最佳。涂層表面結晶細膩，致密度高。涂層中Ti、Al、Si、N元素含量分別為21.3%、23.5%、4.4%、50.8%。該涂層的硬度和附著力分別高達39.6GPa和31.2N。

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