TiAlSiN涂層的制備及研究進展

吳浩龍，王天國，覃 群

（湖北汽車工業學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002）

TiAlSiN涂層是由適量的Si元素添加到TiAlN中制備的，其硬度與耐磨性能均優于TiAlN涂層，且抗高溫氧化能力更優，其溫度可達1000℃左右。文章綜述了Si含量對TiAlSiN涂層結構性能的影響規律、涂層的制備方法及今后研究的發展趨勢。

1 Si含量對TiAlSiN涂層的影響

涂層的抗氧化性是保證切削工具正常穩定使用的一個重要性能指標。對于TiAlSiN涂層，其在氧化過程中會形成一種獨特的氧化層結構，即氧化層上層為聚集態的Al，下層為聚集態的Si的分層結構，上層的聚集態Al會先與O反應形成致密的Al2O3，使得O原子難以進一步向內部氧化。另外，Si元素含量的增加提高了Al元素的擴散系數，促進了Al2O3保護層的形成，同時SiO2也可作為屏障阻止O原子的進一步擴散。文獻［1］研究了TiAlSiN涂層的抗氧化性能與Si含量之間存在著一定的聯系。結果表明，即使溫度在900℃左右的高溫環境下，TiAlSiN涂層也表現出了優秀的抗氧化能力。

TiAlSiN涂層的熱穩定性與Si元素含量的高低存在著一定的聯系，主要原因是由于Si元素的存在，非晶相Si3N4形成與TiAlN晶界上并包裹TiAlN晶粒產生納米晶結構，即TiAlSiN納米復合結構。當溫度上升時，TiAlN會向更加穩定的h-AlN轉化，而包裹著TiAlN的非晶界面相Si3N4會抑制TiAlN的轉化，進而使得涂層的熱分解溫度得到提升。已有研究表明，當Si含量增加時，TiAlSiN涂層中的TiAlN晶粒會被細化，尺寸變小，非晶界面相Si3N4的含量明顯增大，進而對TiAlN的分解起到了抑制作用，致使涂層的熱穩定性能得到了增強。

涂層的硬度與韌性是評估涂層耐磨性能的重要指標。Si元素的加入不僅對TiAlSiN涂層的硬度有所提高，而且也獲得了較好的韌性。文獻［3］研究了TiAlSiN涂層摩擦性能與Si含量存在著一定的關系。結果表明，涂層的硬度與楊氏模量數據值隨著Si含量的增加均得到提高。主要原因就在于非晶態Si3N4的存在，抑制了晶粒的長大及細晶引起了涂層硬度的增大，同時n-TiAlN/a-Si3N4納米晶結構也有效的抑制了裂紋的初生和裂紋的進一步擴展，因此提高了涂層的韌性。

2 TiAlSiN涂層制備方法

2.1 濺射技術

直流濺射采用直流電作為電源，利用輝光放電營造等離子區，Ar＋轟擊靶材濺射沉積成膜。此濺射方式雖然操作過程交易控制，但是所得膜層并不潔凈而且沉積速率也很慢，最為重要的一點就是只能鍍導電膜；射頻濺射與直流濺射的電源選取截然不同，其電源采用射頻交流電。利用Ar＋與電子交替轟擊靶材濺射沉積成膜。雖然彌補了直流電只能鍍導電膜的缺陷，幾乎可以鍍所有材料，但其選用的電源價格較昂貴，沉積速率偏低；磁控濺射利用環形磁場電離大量Ar＋轟擊靶材，濺射沉積成膜。雖然制得的涂層損傷較低與沉積速率高，但是等離子體不穩定。

采用中頻反應磁控濺射技術有利于濺射過程的順利進行，又由于采用了獨特的孿生靶結構，有效的抑制了打火現象及消除了濺射過程中出現的陽極消失現象。同時能得到光滑致密、高硬度膜層，但是也存在著一定的局限性，那就是工作的壓強范圍較窄。

2.2 離子鍍

通過輝光放電向弧光放電轉化方式形成等離子電子束，其在電壓電場作用下，經過聚焦偏轉后射向坩堝使鍍料蒸發，繼而在基片負偏壓作用下沉積成膜。制得的涂層膜基結合力高和致密性好。但其蒸發源為點源，制備的涂層會隨著點源位置的不同，得到的膜層厚度會有一定的差異。

通過弧光放電形式，使金屬直接蒸發沉積成膜。所制得的涂層不僅膜基結合強度高和致密性好而且耐磨性也很好，不足之處在于若此種方式在高功率下會產生飛點，涂層的質量會受到一定的影響。

3 結語

TiAlSiN涂層由于Si元素的添加，其微觀結構不僅發生了改變，而且硬度，抗氧化性能，熱穩定性能，膜基結合力性能和耐磨性能也有著顯著的提高，已在刀具行業廣泛使用?？v使TiAlSiN涂層在綜合性能方面存在較大優勢，但TiAlSiN涂層也存在著不足之處，即存在較大的殘余應力與膜基結合度較低的劣勢。因此，須優化涂層結構設計，如在薄膜與基體之間添加梯度過度中間層及在涂層中合理添加其他元素形成多元多層化涂層來提高膜基結合力和對TiAlSiN涂層進行后處理來降低殘余應力將是今后研究的方向和熱點。