tialon硬质膜的制备工艺与性能概述

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1、TiAlON硬质膜的制备工艺与性能概述第1章绪论1.1引言随着表面技术的飞速发展，新的薄膜材料种类也层出不穷。自二十世纪末TiN薄膜在切削加工领域得到了广泛应用以来，二元氮化物薄膜材料如ZrN、CrN薄膜也随之发展起来。为了进一步提高膜层的各方面的综合性能，研究者开始尝试在膜层中添加适量的其它元素以制备多元氮化物膜层，如TiAlN、TiZrN、TiCrN等三组元氮化物膜层以及(Ti,Al,Cr)N，(Ti,Al,Zr)N等四组元氮化物膜层[1-2]。向氮化物膜层中添加金属元素以制备多元氮化物膜层的思路已经屡见不鲜，有学者开始考虑将氧元素加入到氮化物膜层中，制备氮氧化物作为膜

2、层材料，以期从提高膜层抗氧化性的角度，提高膜层的综合力学性能。而在氮氧化物膜层中，TiAlON膜层是当前最具有发展前景的一种涂层材料，得到了学者们的广泛关注和研究。从薄膜制备技术角度来讲，当前发展最快、使用最多的薄膜制备技术是气相沉积技术，它被分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两个类别。而物理气相沉积（PVD）主要包括离子镀膜、真空蒸镀、溅射镀膜等。从膜层与基体的附着力角度来看，真空离子镀技术效果最好。在高负偏压作用下，基体会由于离子轰击产生溅射作用，使基体不断地受到清洗，加其离化率增高，从而提高了膜层与基体的附着力。从靶材组元离化率角度来看，阴极电弧离子镀

3、（CAIP）沉积过程的靶材组元离化率最高，可以达到50%100%，接下来是阳极弧离子镀技术，其离化率为5%40%，磁控溅射过程中组元的离化率相对较低一些[3]。..1.2多弧离子镀概述阴极电弧离子镀是把真空弧光放电用于蒸发源的技术，也称真空弧光蒸镀法。阴极电弧放电时阴极表面出现许多非常小的弧光辉点，由于镀膜设备中通常设置多个阴极靶，美国Multi-Arc公司将这种技术实用化，在国内一般称为多弧离子镀。电弧的是由表面不停运动的点状放电弧斑构成，对于常见的多电弧离子镀膜情况，阴极放电斑点的数量一般情况下与阴极弧电流成正比，可以认为每个斑点对应的弧电流是常数[4]。真空电弧阴极斑

4、点是金属离子、电子、中性原子和熔化液滴的发射源，如图1.1所示。离子和电子在分别向阴极和阳极的定向运动过程中，会因与沉积室内的气体分子碰撞而使气体分子电离，从而产生离子和电子，这些离子和电子在电场作用下与气体分子发生的碰撞，进一步电离出更多的离子和电子，电弧等离子体能够在真空沉积室内形成高度离化的等离子体。多弧离子镀的突出特点就在于它能产生由高度离化的蒸发材料粒子组成的等离子体，一般认为其离化率在70～80%之间，是目前离子密度最高的镀膜形式之一[5]。..第2章实验材料及研究方法2.1靶材和基体的选取本试验采用的靶材为纯度为99.9%的商用钛铝合金靶，进行制备TiAlON

5、硬质薄膜，钛铝合金靶的原子比为Ti:Al=50:50。在对TiAlON硬质膜的研究中，基体材料多数选为高速钢、硬质合金或者热作工具钢。由于考虑到本试验的研究的应用方向主要是切削工具行业，而高速钢以其具有的高硬度、高耐磨性，以及最为重要的高红硬性，因而成为本试验选用的基体材料。高速钢是一种含碳（C）、钨（o）、铬（Cr）、钒（V）等元素相对较多的高合金钢，热处理后具有高红硬性。当切削温度达到600℃以上时，其硬度仍无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达到每分钟60米以上，因此而得其得名。高速钢的主要应用领域是机械和工具制造行业，近几年来机械加工采用了高速度的数控机床，金属切削

6、速度也越来越快，要求刀具必须具有极高速的使用性能，即红硬性、冲击韧性、耐磨性均要好，对于制造磨削困难、形状复杂的刀具，如剃齿刀、拉刀、插齿刀等，高速钢始终占据主导地位。本试验选取具有代表性的下制备的TiAlON复合膜，其显微硬度随氧流量的增加先增加，之后急剧下降，存在一个显微硬度极大值；该硬度极值达到4000HV以上，实现了超硬性。（4）TiAlON复合膜显示出优异的膜基结合力（>200N），明显优于文献报道中的TiAlON单层膜和TiAlON/TiAlN双层复合膜，这是由于膜层组成中存在TiAl金属过渡层的原因。