Ti-Al-Si-N涂层界面微结构研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)辽宁科技大学 作者:王更柱

  采用多元等离子体浸没离子注入与沉积装置制备Ti-Al-Si-N涂层,借助X射线衍射仪、X射线光电子能谱、透射电子显微镜、纳米探针和原子力显微镜等系统研究涂层界面微结构与力学性能。研究结果表明:Ti-Al-Si-N涂层具有Si3N4界面相包裹TiAlN纳米晶复合结构,Si元素掺杂诱发涂层发生明显晶粒细化效应。随涂层Si含量增加,TiAlN晶粒尺寸显著降低,界面Si3N4层厚度增加。当Si3N4界面层厚度小于1nm并与TiAlN晶粒共格外延生长时,Ti-Al-Si-N涂层表现超高硬度约40GPa,当Si3N4界面相厚度增至2nm并呈非晶态存在时,涂层硬度降至约29GPa。

  近些年来,TiN涂层被广泛应用于提高装备零部件表面抗磨损能力,但其热稳定性与高温抗氧化性能较差,当服役温度超过550℃时,涂层耐磨寿命显著降低。研究表明,Al和Si元素掺杂可显著提高TiN涂层高温抗氧化性能与热稳定性,TiAlN或TiAlSiN复合涂层由于具有超高硬度、良好热稳定性和高温抗磨损能力,已经引起了工业界广泛关注。研究者借助理论计算与数值模拟系统研究Si含量对TiSiN涂层微观组织结构的影响。研究发现,随涂层中Si元素含量增加,涂层晶粒尺寸显著降低。此外,对于TiSiN 涂层超硬机制,目前比较合理解释是基于Veprek提出“非晶包裹纳米晶”理论模型,即当nc-TiN被很薄一层a-Si3N4层包裹时,强界面能有效阻止晶界滑移和位错运动,涂层获得超高硬度。显然,涂层界面Si3N4非晶相尺度与结构对涂层力学性能具有重要影响。然而,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为目前涂层界面微结构研究多基于晶粒尺寸与相含量的理论计算与分子动力学模拟,尚缺乏直接观察证据。

  本研究组采用多元等离子体浸没离子注入与沉积(MPIIID)装置成功制备Ti-Al-Si-N涂层,发现涂层具有良好热稳定性与抗氧化性能,本研究将进一步研究不同Si含量Ti-Al-Si-N涂层的界面微观组织结构特征与力学性能,阐述涂层微结构演化机制与超硬效应之间的相关性。

  1、实验

  本研究采用MPIIID装置制备Ti-Al-Si-N涂层,该装置安装4块阴极,每块阴极由单独放电电源和触发电源控制,放电电流可通过控制电源脉宽单独调节,实现涂层成分配比大范围调控。试验基材采用W18Cr4V 钢和硅片,用金相砂纸对试样进行机械研磨并抛光至镜面,分别用丙酮和分析醇超声清洗10min。靶材用钛(99.9%)和硅铝(70:30(质量比)),高纯N2为反应气氛。

  涂层制备参数如下:N2流量50mL/min(标准状态),气压0.3Pa,偏压20kV,脉冲频率50Hz,高压脉宽60μs,涂层中Si含量通过调整不同金属阴极脉宽实现。采用X射线能谱仪(EDX)分析涂层成分,采用X射线衍射仪(XRD,Philips-X’pert)分析涂层物相组成,采用X射线光电子能谱(XPS,Thermo,K-Alpha)分析涂层元素结合价态,为避免表面氧化物干扰,溅射60s后进行数据采集,采用透射电子显微镜(TEM,FEI-Tecnai-30)分析涂层微观组织结构与界面特征,将涂层沉积在20μm 铝箔上,采用碱溶液将铝箔溶掉,用微栅铜网将涂层捞起用于TEM 观察。采用纳米探针(Nano Indenter G200,MTSCorp.USA)测试涂层力学性能,并借助原子力显微镜(AFM)原位观察涂层压痕形貌。

  3、结论

  本文系统研究了不同Si含量Ti-Al-Si-N涂层的界面微结构与力学特性,主要结论包括:

  (1)Ti-Al-Si-N涂层具有典型TiAlN纳米晶和Si3N4界面相复合结构,Si掺杂诱发涂层微结构演变,随涂层中Si含量增加,TiAlN晶粒尺寸降低,相邻晶粒界面间距增大。

  (2)当Si含量较低时,Si3N4界面相厚度小于1nm并倾向以晶态存在;当Si含量较高时,Si3N4界面相厚度达2nm并呈非晶态形式存在。

  (3)Ti-Al-Si-N涂层微界面微结构特征决定其力学性能,当Si3N4界面相厚度小于1nm且以晶态存在时,Ti-Al-Si-N 涂层表现出超高硬度约40GPa,当Si3N4界面相厚度增至2nm 并以非晶态存在时,界面强化作用弱化,导致涂层硬度降低至29GPa。

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