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表面后處理-濺射功率對TiAlN涂層組織結構與性能

魂斗罗归来贴吧ak升龙 www.tvlnp.icu 日期:2018-07-12來源:未知

TiAlN涂層屬于新型多元復合涂層,具有高硬度、高抗氧化溫度、高熱硬性,附著力強、摩擦系數小、導熱率低等特性,已成為高溫高速切削、干切削、微潤滑切削、模具等機械加工領域廣泛使用的刀具涂層。下面隨賢集網小編一起來了解下濺射功率對TiAlN涂層組織結構與性能的影響。

 

陳利等對TiAlN涂層熱穩定性的研究結果表明,涂層會在高溫下發生調幅分解:先析出介穩態面心立方AlN,而后逐漸轉變為穩定的體心立方相。由于涂層表面的形貌決定于成核、生長及外來原子遷移率等,因此可構建一個有利于薄膜中晶體形核和生長的最佳濺射功率,從而確定最佳輔助能量轟擊能量范圍,加速原子在涂層表面運動,提高晶體完整性,合成具有高硬度和優良力學性能的納米多層膜至關重要。

 

除使用Ti/Al合金靶制備外,還可使用雙靶磁控共濺射制備涂層,調節濺射功率控制涂層元素含量。實驗采用兩個單靶直流濺射源和兩個孿生靶中頻濺射源,引入高強度離化源,通過非平衡離子鍍方法制備TiAlN涂層,并研究濺射功率對涂層的微觀組織結構影響。

 

1實驗方法

 

將硬質合金基體固定在夾具上,往超聲波機里添加洗滌液;加熱到60℃左右,將基體放入其中清洗10min,拿出后用高壓氮氣吹干;用烘干器烘20min,待其完全干燥后,裝入鍍膜機;開電源、機械泵、擴散泵加熱60min,抽真空度至粗真空4-5Pa;再開前級和高閥對真空室抽至5×10-3Pa;加熱燈絲后,在負偏壓-850V時通入氬離子進行轟擊15min;開啟鈦靶和鋁靶,按表1工藝參數進行TiAlN涂層沉積;鍍膜結束后,冷卻90min后出爐。

濺射功率對TiAlN涂層組織結構與性能的影響

采用MFT-4000多功能材料表面性能試驗機,通過劃痕法測定結合力來判斷涂層結合強度大小。利用荷蘭FEI公司Inspect F型場發射掃描電子顯微鏡和Oxford INCA Petafetx3的X射線能譜分析儀分析表面形貌和結構組成。

 

2實驗結果與分析

 

(1)涂層能譜分析

 

分別將四組樣品機械打碎,作EDS能譜分析(見圖1-圖4),并計算其原子和重量百分比(見表2-表5)。

濺射功率對TiAlN涂層組織結構與性能的影響

濺射功率對TiAlN涂層組織結構與性能的影響

 

為了比較4組樣品各元素的百分含量變化,將其按Al/Ti的升高進行整理。如表6所示,樣品中的Al/Ti比值隨著濺射功率的降低而降低。樣品中N原子和Al原子的百分比一直在降低,可以看出濺射功率降低導致靶材中Al濺射功率減小。Al原子百分比降低,導致Ti原子百分比上升。N原子在TiAlN涂層中比例降低,總體上使用雙靶磁控濺射制備的TiAlN涂層中Al/Ti原子百分比和功率變化總趨勢一致。原因是靶濺射功率降低,導致鋁靶濺射功率降低。鋁原子的動能和原子的遷移率降低,使整個制備過程中原子遷移率減少,從而導致鋁原子含量降低,同時由于鋁原子和鈦原子的濺射額不同,也會導致原子百分比變化。

濺射功率對TiAlN涂層組織結構與性能的影響

 

(2)涂層斷口形貌分析

 

由圖5的斷口形貌可以看出,涂層厚度較薄時,分界面比較模糊。隨著厚度增加,界面變清晰。涂層端口形貌整體呈現高低不平的狀態,這是晶粒的擇優取向引起的。高的地方,說明其生長方向與擇優取向晶面一致;反之,則是與擇優取向晶面呈現一定角度,出現凹凸現象。

濺射功率對TiAlN涂層組織結構與性能的影響

 

隨著濺射功率的降低,會在一定程度上降低基體溫度,導致原子間的擴散速度減慢,使得基體與鍍層之間界面不清晰。此外,Al元素含量的降低,不利于形成更多的核心,導致鍍層表面的空隙和缺陷增多,阻礙晶粒的細化和生長,讓斷面形貌變得更粗糙。

 

(3)劃痕形貌結合力分析

 

采用劃痕法測定涂層與基體間的結合強度。由圖6可知,隨著濺射功率的變化,劃痕形貌也隨之變化。在濺射功率最大時劃痕更清晰,同樣的力,劃痕越淺,結合力越高。原因可能是濺射功率增加時,鋁原子含量增加,其晶體結構從面心立方轉化為六方結構。晶格常數發生變化,硬度也隨之發生變化。濺射功率最大時,晶粒細化程度最高,組織結構更致密,表面粗糙度最低,涂層的硬度值最高,從而膜基結合強度也高。也可能因為沉積涂層中的等離子體相應增多,增大了沉積能量密度,細化晶粒,涂層的晶界強化作用加強,涂層硬度提高,從而提高結合力。

濺射功率對TiAlN涂層組織結構與性能的影響

 

(d)4號樣品

 

圖6劃痕形貌

 

小結

 

(1)采用非平衡磁控濺射設備在硬質合金表面沉積氮化鋁鈦涂層,確定最佳沉積濺射功率為16A。

 

(2)SEM和EDS能譜結果顯示,膜厚分布均勻,無過于粗大的柱狀晶和孔洞,硬度逐漸下降。

 

(3)濺射功率的減小導致Al原子百分比降低,使涂層的結合強度降低和厚度減小。

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