中间层类型对类金刚石涂层界面结合性能和抗磨损能力的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空材料研究院 作者:纪锡旺

  采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、磁控溅射和阴极电弧离子镀技术相结合的方法,合理利用金属Cr靶和TiAl靶,选择性地在硬质合金基体上沉积了具有不同中间层(Cr、TiAl、TiAlN、Cr/TiAl/TiAlN)的复合结构体系类金刚石(DLC)涂层。选用拉曼光谱、光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪对涂层形貌和结构进行表征测试。同时,利用显微硬度计、洛氏硬度计、划痕测试仪和球磨仪系统地分析了涂层的力学性能。研究结果表明:基体/Cr/TiAl/TiAlN/DLC涂层体系综合性能最佳,具有较高硬度(~3251HV)的同时结合性能最优(合力~56.2N),且抗磨损能力最强。Cr/TiAl/TiAlN较其它中间层可更有效地缓解涂层体系内应力并提高基体/涂层间的结合强度和抗磨损能力。基体/TiAlN/DLC涂层体系复合硬度最高(~3350HV),但其韧性最差、结合力最低(~35N),在硬质合金基体上直接沉积TiAlN作为中间层不利于提高基体/涂层间的结合强度。

  类金刚石(diamond-likecarbon,DLC)涂层是含有sp3和sp2杂化的亚稳态非晶碳膜,具有高硬度,低摩擦系数,优异的耐磨性,良好的光学透过性和生物相容性等优异性能,已在表面工程领域引起广泛的关注。但实际应用中,尚存在一些问题未得到有效解决。主要表现在:涂层内应力大、涂层/基体结合性能差。这限制了DLC涂层在工业中的大规模应用。提高DLC涂层与基体间的结合强度,增强涂层体系的抗磨损能力越来越成为研究人员关注的重点。

  降低内应力提高结合强度有多种方法途径,通过掺杂金属(Ti、Cr、W)和非金属元素(N、Si、F)等可有效地降低涂层内应力,提高涂层/基体间的结合强度,但往往以降低涂层的硬度和弹性模量为代价,这就导致涂层的抗磨损能力大幅降低,无法对基体起到保护作用。

  在基体与涂层间施加合适的中间层可有效地解决内应力和抗磨损能力的问题。其设计思想是通过一层或者多层中间层体系来改善基体与涂间的物理匹配性,并且能够增强界面对位错滑移的阻碍作用,提高涂层的韧性和抗磨损能力。中间层材料通常有Si、Al、Ti、Cr以及TiN、TiC、TiCN、TiAlN等。梯度中间层是通过控制沉积参数和沉积材料的成分配比,使涂层成分、组织、性能从基体到外层无界面连续变化,可消除涂层间的宏观界面,逐渐释放内应力,从而提高结合强度并保持硬度基本不变。

  据文献报道,在不锈钢基体上沉积Ti/TiN/TiCN/TiC/DLC涂层,在提高涂层体系结合力的同时增强了顶层DLC的承载能力;在铝合金表面制备Ti/TiNC/DLC涂层,内应力显著降低且结合强度大幅提高,抗磨损能力也得到增强。上述文献报道的中间层体系虽然能够提高涂层结合强度和抗磨损能力,但由于沉积工艺的限制,应用于工业生产难度较大并且在不同基体上沉积时结合性能呈现差异。Cr具有优异的耐磨性,抗氧化能力强,且与各种硬质合金相容性、结合性能较好。在基体表面沉积一层厚度适当的Cr可形成键合界面,提高涂层/基体间附着力;TiAl属于硬度较高的金属间化合物材料,同时又由两种金属元素组成,与硬质合金基体结合性能优异;TiAlN硬度高,具有较强的抗磨损能力,可用于充当涂层体系中的第二抗磨损层;TiAl/TiAlN梯度过渡层能够逐渐缓解内应力从而提高韧性和结合强度;Cr/TiAl/TiAlN中间过渡层能够降低涂层体系热膨胀不匹配产生的应力,既保证了涂层体系具有良好的结合强度,又增强了涂层体系的抗摩擦磨损能力。

  本文中,作者利用PECVD、磁控溅射和阴极电弧离子镀技术在YG8硬质合金基体上制备了一系列多层结构体系的DLC涂层。分别以Cr、TiAl、TiAlN和Cr/TiAl/TiAlN为中间层,系统地研究了不同中间层类型对DLC涂层结构、形貌、硬度、韧性、界面结合强度和抗磨损能力的影响规律。

1、制备方法

  1.1、试样制备

  以YG8硬质合金为基体材料,尺寸为17mm×10mm×5mm;基体经抛光后用清水清洗5min,超声波清洗20min,去离子水浸泡5min,最后经无水乙醇脱水并烘干后装入真空室内的转架上待用。制备涂层后,试样采用电木粉热镶样,分别经200#、400#、600#、1000#、1200#砂纸依次打磨后,并用1μm的金刚石抛光膏抛光,最后用清水冲洗干净,烘干后待SEM观察涂层截面形貌用。其余测试所用试样只需用无水乙醇将表面清洗干净并烘干即可。

  1.2、实验方法

  采用新型DC-PECVD技术制备DLC涂层,两个离子束源安装于腔体内壁,以纯度为97%的C2H2为反应气体。抽真空至5×10-3Pa,分别制备四种类型中间层。具体工艺参数如表1所示,中间层制备结束后通入C2H2气体制备DLC涂层,其流量设定为50sccm,并持续240min,此时离子束电压均为1200V,基体偏压1050V。

表1 四种样品的中间层制备工艺参数

四种样品的中间层制备工艺参数

  1.3、性能表征

  拉曼光谱测试采用RM2000型显微共焦拉曼光谱仪,激光器波长:514.5nm,显微尺寸范围:1μm;DLC涂层横截面形貌的观察在Quanta200型扫描电子显微镜(SEM)下进行,同时用EDS能谱仪进行元素分布线扫描;硬度采用Duramin型显微硬度计测试,载荷为0.98N,载荷保持时间为15s,每个试样测试5个点取平均值;韧性测试采用洛氏硬度计进行压痕检测并用配套光学显微镜观察压痕形貌;采用WS-2005涂层附着力自动划痕仪测试涂层界面结合性能,加载速率20N/min,最大载荷200N,划痕速率5mm/min,划痕长度设定5mm;抗磨损性能采用球磨仪进行测试。

结论

  (1)中间层硬度对涂层复合硬度产生重要作用,TiAlN中间层样品复合硬度最高(~3350HV),TiAl中间层样品显微硬度最低(~2736HV)。Cr/TiAl/TiAlN中间层样品复合硬度为~3251HV略低于TiAlN中间层样品。合理选取中间层有利于控制涂层的复合硬度。

  (2)Cr/TiAl/TiAlN中间层样品具有最高的涂层/基体结合强度(~58.2N)和最佳的涂韧性,其相应的Rockwell-C压痕等级为~HF3。Cr/TiAl/TiAlN梯度过渡层可有效缓解涂层与基体间的内应力,增强涂层韧性和结合强度,显著提高涂层体系抗磨损能力。TiAlN中间层样品结合性能最差,涂层体系脆性较大、韧性差。TiAlN不适于作为中间层而直接沉积到硬质合金基体表面。

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