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多弧離子鍍膜技術(shù)的主要工藝參數(shù)與涂層性能的關(guān)系
發(fā)布時(shí)間：2016-12-05
由于影響涂層質(zhì)量的因素多而復(fù)雜，因此研究工藝參數(shù)與涂層性能指標(biāo)之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)涂層性能預(yù)測(cè)與工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，始終是研究人員致力的目標(biāo)。國(guó)內(nèi)外研究表明多弧離子鍍膜的主要工藝參數(shù)有：基體沉積溫度、反應(yīng)氣體壓強(qiáng)與流量、靶源電流、基體負(fù)偏壓、基體沉積時(shí)間等。實(shí)驗(yàn)對(duì)多弧離子鍍制備TiC薄膜的工藝與性能進(jìn)行了研究，得出各工藝參數(shù)對(duì)涂層顯微硬度和涂層/基體結(jié)合力的影響程度。對(duì)顯微硬度影響程度的主次順序是反應(yīng)氣體流量、沉積時(shí)間、基體負(fù)偏壓、靶源電流；對(duì)涂層/基體結(jié)合力影響程度的主次順序是沉積時(shí)間、反應(yīng)氣體流量、基體負(fù)偏壓、靶源電流。實(shí)驗(yàn)采用多弧離子鍍方法制備了TiN/Cu納米復(fù)合涂層，研究了工藝參數(shù)對(duì)涂層硬度的影響，結(jié)果表明對(duì)顯微硬度影響程度的主次順序是反應(yīng)氣體壓強(qiáng)、沉積時(shí)間、基體沉積溫度、基體負(fù)偏壓。
基體沉積溫度基體沉積溫度對(duì)涂層的生成、生長(zhǎng)及涂層的性能產(chǎn)生直接的影響。根據(jù)吉布斯的吸附原理可知，溫度越高基體對(duì)氣體雜質(zhì)的吸附越少。因此，一般說(shuō)來(lái)，基體沉積溫度高，有利于涂層的生成、生長(zhǎng)，增大沉積速率；也有利于提高涂層與基體的附著力，使涂層晶粒長(zhǎng)大，表面平整光亮。但溫度太高，會(huì)引起晶粒粗大，強(qiáng)度和硬度下降。實(shí)驗(yàn)采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼表面沉積了TiN涂層，研究了不同沉積溫度下TiN涂層的表面硬度與涂層/基體的結(jié)合力，結(jié)果表明在保證基體材料不過(guò)熱的前提下，提高沉積溫度有利于提高TiN涂層的性能。并得出了最佳的沉積溫度為500℃，此時(shí)TiN涂層的硬度、涂層/基體結(jié)合力與刀具性能最佳。對(duì)刀具進(jìn)行涂層時(shí)，為使涂層與基體牢固結(jié)合，提高涂層質(zhì)量，需在涂層前將基體加熱到一定溫度。對(duì)于高速鋼刀具一般為500℃左右，硬質(zhì)合金刀具一般在900℃左右。
反應(yīng)氣體壓強(qiáng)與流量反應(yīng)氣體的壓強(qiáng)與流量大小直接影響涂層的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及性能。實(shí)驗(yàn)在W18Cr4VCo5高速鋼基體上采用多弧離子鍍技術(shù)制備了TiAlN涂層，研究了N2分壓對(duì)熔滴形成的影響，結(jié)果表明隨N2分壓的增加，涂層中顆粒和熔滴的密度、直徑減小，主要是通過(guò)靶材表面零中毒，不形成氮化物從而提高材料的熔點(diǎn)引起的。Kourtev等人指出，隨著氮流量的增加，液滴的尺寸不僅會(huì)縮小，而且涂層表面的液滴密度也會(huì)大大降低，這樣必然會(huì)改善涂層的表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)在LF6基體上采用多弧離子鍍膜機(jī)制備了Ti（C，N）/TiN多元多層涂層，研究了反應(yīng)氣體流量對(duì)涂層性能的影響，結(jié)果表明在（N2+C2H2）總流量一定的情況下，隨C2H2流量增大，Ti（C，N）涂層中C含量增多，使涂層硬度提高，但韌性變差，表面變粗糙。
靶源電流弧斑的數(shù)目與靶源電流成正比，陰極斑點(diǎn)的數(shù)目隨著靶源電流的增大而增加，較多的弧斑可以使燃燒的穩(wěn)定性增加。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用多弧離子鍍膜技術(shù)在65Mn鋼基體上制備了CrN薄膜，結(jié)果表明在一定的靶源電流范圍內(nèi)，CrN薄膜厚度隨靶源電流的升高而增加，通過(guò)對(duì)靶源電流大小的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜制備厚度的控制。但是對(duì)于一定的靶材，增加靶源電流，意味著靶材整體溫度的升高，產(chǎn)生的液滴會(huì)隨之增多，而且液滴的尺寸也會(huì)增大，這些液滴大大降低了涂層的各種性能。一般而言，用于裝飾涂層時(shí)靶源電流應(yīng)小些，而對(duì)刀具進(jìn)行涂層時(shí)靶源電流可稍微大些。
基體負(fù)偏壓基體負(fù)偏壓是多弧離子鍍?cè)谕繉訒r(shí)的一個(gè)不可忽略的工藝參數(shù)，基體負(fù)偏壓在涂層前預(yù)轟擊時(shí)，可以清除工件表面吸附的氣體和污染物；在涂層期間，又為離子提供能量使涂層與基體緊密結(jié)合。基體負(fù)偏壓在離子鍍中有舉足輕重的作用，調(diào)整基體負(fù)偏壓可以調(diào)整沉積離子的能量，以控制涂層質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)研究了基體負(fù)偏壓對(duì)TiAlN涂層性能的影響，結(jié)果表明：涂層表面液滴的密度和直徑隨基體負(fù)偏壓的增加而減少；涂層的顯微硬度在一定范圍內(nèi)隨著負(fù)偏壓的增加而增加；涂層的速率并不是隨著基體負(fù)偏壓的升高一直提高下去；涂層的孔隙率隨著基體負(fù)偏壓的升高而降低。實(shí)驗(yàn)研究了脈沖負(fù)偏壓對(duì)TiAlN/TiN多層膜生長(zhǎng)及液滴的影響，結(jié)果表明：TiAlN/TiN復(fù)合涂層沉積速率隨脈沖負(fù)偏壓峰值的提高先升高后降低；脈沖負(fù)偏壓對(duì)TiAlN/TiN復(fù)合涂層的表面形貌有很大影響，液滴的密度和直徑隨脈沖負(fù)偏壓峰值的提高而減小。隨著負(fù)偏壓峰值的提高，元素濺射產(chǎn)額的差異增大，涂層中Al元素含量逐漸降低，Ti元素含量逐漸升高。
基體沉積時(shí)間涂層顯微硬度隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在特定的沉積參數(shù)下進(jìn)行涂層時(shí)，涂層生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力并產(chǎn)生應(yīng)力積累，應(yīng)力足夠大時(shí)將阻礙后續(xù)物料的成膜，故涂層厚度呈非線性增加。隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層厚度逐漸增加，顯微硬度也逐漸變大。但沉積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)應(yīng)力會(huì)阻礙后續(xù)膜的到達(dá)，使沉積速率下降，涂層內(nèi)晶粒之間的應(yīng)力增加。測(cè)定硬度時(shí)壓頭壓入涂層，涂層由于局部受力而導(dǎo)致破裂剝落，壓頭打在較軟的基體上，因此硬度測(cè)定值下降。隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層/基體結(jié)合力也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但沉積時(shí)間對(duì)結(jié)合力的影響低于對(duì)顯微硬度的影響。
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