多弧離子鍍TiAlN涂層的研究進展

曹婭

摘 要：文章概述了多弧離子鍍TiAlN涂層的研究現狀及發展趨勢，詳細分析了Al元素含量和弧電流、N2流量、基體偏壓、溫度等工藝參數對TiAlN涂層的結構、硬度、結合力、耐磨性等性能的影響。目前，多弧離子鍍TiAlN涂層存在液滴數量多，為了進一步促進多弧離子鍍TiAlN涂層的應用，需進一步優化工藝，發展納米TiAlN涂層。

關鍵詞：多弧；離子鍍；TiAlN涂層；研究

多弧離子鍍屬于離子鍍的一種改進方法，最早是由蘇聯人開發，上世紀80 年代初， 美國的Multi- Arc 公司和Vac- Tec 公司首先把這種技術實用化[1]。其基本原理[2]是在真空腔內，基底與蒸發源施加一電場，當腔體壓力適當時，蒸發源與基底之間會產生輝光放電或弧光放電，在和電子碰撞過程中，會形成氣體離子和靶材（薄膜材料）的離子，這些離子在電場中被加速飛向基底，于是在離子轟擊影響下發生凝結而形成薄膜。多弧離子鍍TiAlN涂層是在TiN涂層的基礎上發展起來的一種新型三元復合涂層，TiAlN涂層具有更高的硬度、抗高溫氧化性、熱疲勞性能、耐磨性等特點，目前在模具制造、航空發動機和生物醫學等方面已有應用[3-5]。因此，多弧離子鍍TiAlN涂層近年來受到廣泛地關注。

1 TiAlN涂層的性能

1.1 Al元素對涂層結構的影響

1.3 Al元素對涂層結合力的影響

1.4 Al元素對耐磨性的影響

Al元素對TiAlN 涂層耐磨性的作用具有雙重性[16]，研究表明，摩擦系數隨著Al含量的增加而減小，耐磨性能提高。

1.5 靶材的選擇

Al元素的引入可改善涂層結構，提高硬度、結合力和耐磨性，為了在沖壓模具上獲取更優質性能的涂層，首先應考慮基材與TiAlN涂層的關系，其次最重要的是靶材的選擇和工藝參數的優化。張德元[17]研究表明分離靶（Ti靶、Al靶）不利于整爐產品涂層的均勻性，因此，一般來說選擇TiAl合金靶作為靶材。

2 多弧離子鍍工藝參數對TiAlN涂層的影響

2.1 弧電流對TiAlN涂層的影響

試驗研究發現，弧電流與涂層厚度呈正比關系，同時硬度也隨著弧電流的增加而增加。但是對于一定的靶材，增加弧電流，意味著靶材整體溫度的升高，相應的液滴的產生會隨之增多，而且液滴的尺寸也會增大，在沉積的過程中會形成大顆粒，大大降低涂層的各種性能。

圖3 不同弧流條件下TiAlN膜層的表面形貌

從圖3可以看出，當電流從60 A增大到100 A時，薄膜表面的顆粒尺寸越大，數量也越多，涂層表面的大顆粒缺陷也就越嚴重，因此，在不影響涂層厚度的情況下，盡量采用低電流。

2.2 N2流量對TiAlN涂層的影響

3 結束語

3.1 多弧離子鍍TiAlN涂層由于Al元素的引入可改善涂層結構，提高硬度、結合力和耐磨性。

3.2 選擇TiAl合金靶作為陰極靶材，有望獲得更加均勻的涂層。

3.3 弧電流為60A，基體偏壓為-800V時，TiAlN涂層表面液滴密度和直徑較小。

3.4 N2流量為200sccm時，TiAlN涂層硬度高達3300HV。

3.5 為了進一步研究多弧離子鍍TiAlN涂層的性能及應用，還需進一步優化工藝參數，獲得納米涂層。

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