多弧離子鍍膜技術的主要工藝參數與涂層性能的關系
發布時間：2016-12-05
由于影響涂層質量的因素多而復雜，因此研究工藝參數與涂層性能指標之間的關系，以實現涂層性能預測與工藝優化設計，始終是研究人員致力的目標。國內外研究表明多弧離子鍍膜的主要工藝參數有：基體沉積溫度、反應氣體壓強與流量、靶源電流、基體負偏壓、基體沉積時間等。實驗對多弧離子鍍制備TiC薄膜的工藝與性能進行了研究，得出各工藝參數對涂層顯微硬度和涂層/基體結合力的影響程度。對顯微硬度影響程度的主次順序是反應氣體流量、沉積時間、基體負偏壓、靶源電流；對涂層/基體結合力影響程度的主次順序是沉積時間、反應氣體流量、基體負偏壓、靶源電流。實驗采用多弧離子鍍方法制備了TiN/Cu納米復合涂層，研究了工藝參數對涂層硬度的影響，結果表明對顯微硬度影響程度的主次順序是反應氣體壓強、沉積時間、基體沉積溫度、基體負偏壓。
基體沉積溫度基體沉積溫度對涂層的生成、生長及涂層的性能產生直接的影響。根據吉布斯的吸附原理可知，溫度越高基體對氣體雜質的吸附越少。因此，一般說來，基體沉積溫度高，有利于涂層的生成、生長，增大沉積速率；也有利于提高涂層與基體的附著力，使涂層晶粒長大，表面平整光亮。但溫度太高，會引起晶粒粗大，強度和硬度下降。實驗采用多弧離子鍍技術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/基體的結合力，結果表明在保證基體材料不過熱的前提下，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TiN涂層的硬度、涂層/基體結合力與刀具性能最佳。對刀具進行涂層時，為使涂層與基體牢固結合，提高涂層質量，需在涂層前將基體加熱到一定溫度。對于高速鋼刀具一般為500℃左右，硬質合金刀具一般在900℃左右。
反應氣體壓強與流量反應氣體的壓強與流量大小直接影響涂層的化學成分、組織結構及性能。實驗在W18Cr4VCo5高速鋼基體上采用多弧離子鍍技術制備了TiAlN涂層，研究了N2分壓對熔滴形成的影響，結果表明隨N2分壓的增加，涂層中顆粒和熔滴的密度、直徑減小，主要是通過靶材表面零中毒，不形成氮化物從而提高材料的熔點引起的。Kourtev等人指出，隨著氮流量的增加，液滴的尺寸不僅會縮小，而且涂層表面的液滴密度也會大大降低，這樣必然會改善涂層的表面粗糙度。實驗在LF6基體上采用多弧離子鍍膜機制備了Ti（C，N）/TiN多元多層涂層，研究了反應氣體流量對涂層性能的影響，結果表明在（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。
靶源電流弧斑的數目與靶源電流成正比，陰極斑點的數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定性增加。實驗應用多弧離子鍍膜技術在65Mn鋼基體上制備了CrN薄膜，結果表明在一定的靶源電流范圍內，CrN薄膜厚度隨靶源電流的升高而增加，通過對靶源電流大小的控制可以實現對薄膜制備厚度的控制。但是對于一定的靶材，增加靶源電流，意味著靶材整體溫度的升高，產生的液滴會隨之增多，而且液滴的尺寸也會增大，這些液滴大大降低了涂層的各種性能。一般而言，用于裝飾涂層時靶源電流應小些，而對刀具進行涂層時靶源電流可稍微大些。
基體負偏壓基體負偏壓是多弧離子鍍在涂層時的一個不可忽略的工藝參數，基體負偏壓在涂層前預轟擊時，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合。基體負偏壓在離子鍍中有舉足輕重的作用，調整基體負偏壓可以調整沉積離子的能量，以控制涂層質量。實驗研究了基體負偏壓對TiAlN涂層性能的影響，結果表明：涂層表面液滴的密度和直徑隨基體負偏壓的增加而減少；涂層的顯微硬度在一定范圍內隨著負偏壓的增加而增加；涂層的速率并不是隨著基體負偏壓的升高一直提高下去；涂層的孔隙率隨著基體負偏壓的升高而降低。實驗研究了脈沖負偏壓對TiAlN/TiN多層膜生長及液滴的影響，結果表明：TiAlN/TiN復合涂層沉積速率隨脈沖負偏壓峰值的提高先升高后降低；脈沖負偏壓對TiAlN/TiN復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偏壓峰值的提高而減小。隨著負偏壓峰值的提高，元素濺射產額的差異增大，涂層中Al元素含量逐漸降低，Ti元素含量逐漸升高。
基體沉積時間涂層顯微硬度隨著沉積時間的延長，呈現先增大后減小的趨勢。在特定的沉積參數下進行涂層時，涂層生長過程中出現應力并產生應力積累，應力足夠大時將阻礙后續物料的成膜，故涂層厚度呈非線性增加。隨著沉積時間的延長，涂層厚度逐漸增加，顯微硬度也逐漸變大。但沉積時間過長時，生長應力會阻礙后續膜的到達，使沉積速率下降，涂層內晶粒之間的應力增加。測定硬度時壓頭壓入涂層，涂層由于局部受力而導致破裂剝落，壓頭打在較軟的基體上，因此硬度測定值下降。隨著沉積時間的延長，涂層/基體結合力也呈現先增大后減小的趨勢，但沉積時間對結合力的影響低于對顯微硬度的影響。
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