高功率脉冲磁控溅射制备Ti-Al-Si-N纳米复合超硬涂层
2018-12-21

在材料表面沉积一层硬质涂层是一种常用的材料防护手段,在高速切削刀具、发动机叶片等现代工业领域中有着广泛的应用。常见的硬质涂层是氮化物涂层,以氮化钛(TiN)为典型代表。随着对材料表面硬度、耐磨性等要求的不断提升,人们通过在TiN中加入SiAl等不同元素的方法来形成纳米复合涂层,进一步提高涂层的性能。Ti-Al-Si-N四元氮化物纳米涂层因其高硬度、低摩擦系数、良好的膜基结合力和抗高温氧化能力,有望作为防护性涂层应用在高速切削刀具上。

一直以来,包括Ti-Al-Si-N涂层在内的硬质氮化物涂层一般采用直流磁控溅射方法制备获得,但因其离化率过低,往往无法得到高质量的涂层。近期发展起来的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术能大大提高溅射靶材材料的离化率,进而提高涂层的致密度、降低表面粗糙度、提高结晶度。当然,影响涂层最终质量的工艺参数还包括氮气的流速、压强、靶材功率、温度、基底偏压等。对于工艺参数的研究和优化是获得高质量Ti-Al-Si-N涂层的关键,也是目前Ti-Al-Si-N涂层应用研究的重点。

北京航空航天大学机械工程及自动化学院的李刘合教授和徐晔教授实验室对HiPIMS技术及制备过程中基底偏压对Ti-Al-Si-N膜层的结构和性能的影响开展了深入的研究。该研究采用了实验室自制的真空磁控溅射设备及HiPIMS电源,用直流磁控溅射和HiPIMS技术两种不同方法,在不同基底偏压条件下,在碳化钨基底上制备了Ti-Al-Si-N涂层。研究结果表明,与直流磁控溅射制得的涂层相比,使用HiPIMS技术制备的Ti-Al-Si-N涂层中,虽然涂层沉积速率略有下降,但制得的涂层具有更低的表面粗糙度和更小的晶粒,硬度和膜基结合力也得到了提高。另一方面,增加基底偏压能增大溅射过程中的放电电压,因此进一步降低了涂层表面粗糙度,同时具有细化晶粒、提高涂层硬度的良好效果。

该研究为优化HiPIMS制备氮化物涂层技术,提高Ti-Al-Si-N涂层的性能提供了新的思路。研究成果发表在《Applied Surface Science》上。

徐晔,机械工程及自动化学院,教授,E-mail: ye.xu@buaa.edu.cn

李刘合,机械工程及自动化学院,教授,E-mail: liliuhe@buaa.edu.cn

参考文献

Quansheng Ma, Liuhe Li*, Ye Xu*, JiabinGu, Lei Wang, and Ye Xu; Effect of bias voltage on TiAlSiN nanocomposite coatings deposited by HiPIMS; Applied Surface Science 392, 826-833 (2017). (*co-corresponding author)