唐 鹏，王启民，林松盛，代明江

1.广东省新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东省现代表面工程技术重点实验室，广东 广州 510650；2.广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006

应用物理气相沉积(PVD)技术在刀具表面涂覆过渡金属氮化物涂层来提高其表面性能和使用寿命已经在工业实践上有着广泛的应用[1-4]．传统的CrN涂层因硬度高和摩擦性能优异等优点而备受关注[5-6]．在金属高速干式切削加工中，切削中心温度通常可达到700～900 ℃[7-9]，且随着切削速度的不断增大，局部温度甚至可达1000 ℃以上．由于CrN涂层在温度为600～750 ℃的环境下就会开始发生氧化[10-11]，因此，在高温的环境下CrN涂层刀具已无法满足使用要求．研究表明，于CrN涂层中加入适量的Al元素得到的AlCrN涂层在900 ℃的环境下才会开始发生氧化[12]，并且，由于固溶强化的作用AlCrN涂层的硬度相对于CrN也有着一定程度的增加[13]．由于传统的电弧离子镀技术制备的涂层表面存在大颗粒和大内应力，传统的磁控溅射技术制备的涂层与基体的结合力差．这些缺陷都制约着AlCrN涂层在工业上规模化的应用．然而，高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)技术[14]是一种新型的高离化率物理气相沉积技术，它利用较高的脉冲峰值功率 (超出传统磁控溅2～3个数量级) 和较低的脉冲占空比 (0.5～10%) 来实现靶材的高离化率 (>50%)． HIPIMS 技术在理论上能同时解决电弧离子镀涂层大颗粒、大内应力与传统磁控溅射制备涂层膜-基结合力低等缺点．

本文通过应用HIPIMS技术在不同基体偏压下制备一系列的AlCrN涂层，利用SEM，XRD，EDS和大载荷划痕仪、纳米压痕仪等分析测试方法来研究基体偏压对涂层成分、结构和力学性能的影响．

1 试验部分

1.1 试样制备

在硬质合金(WC-6Co，含6 wt%的Co)和硅片(100)基体上采用HIPIMS技术沉积AlCrN涂层，基体需放入丙酮和酒精中经超声波分别清洗10 min后再吹干．在沉积工艺中，沉积Cr和CrN层用Cr电弧圆饼靶材(直径100 mm，厚度20 mm，纯度 99.99 at.%)，AlCrN层沉积用Al60Cr30圆柱溅射靶材(直径70 mm，高度594 mm，纯度99.5 at.%)．在涂层沉积前到达本底真空5×10-3Pa后，所有使用的靶材都要预先运行5 min以去除靶表面的杂质．镀膜先通入流量为300 mL/min的Ar， 在-800 V的基体偏压下，对基体进行10 min的Ar+轰击．然后，用电弧离子镀技术在基体表面植入一层Cr金属层，调整基体与涂层间热膨胀系数，使用-800 V的基体偏压、100 A左右Cr靶电流、Ar流量不变，再用电弧离子镀技术沉积一层CrN过渡层，保持Cr靶电流不变，基体偏压降为-100 V，气压1.2 Pa，N2流量为300 mL/min，用HIPIMS技术沉积AlCrN涂层，在N2和Ar的混合气氛下开启AlCr合金靶．沉积AlCrN涂层时，基体置于AlCr合金靶正前方自转，靶基距25 cm，具体的沉积参数见表1.

表1 AlCrN 涂层沉积工艺参数

1.2 表征分析

表征涂层的形貌和元素组成采用带有能谱仪 (EDS) 的扫描电子显微镜(SEM，FEI，Nano 430),最大放大倍数30万倍，加速电压 20 kV，电子束流范围为 (0.3～2.2)×10-8A．涂层的相结构由X射线衍射(XRD，D8 Advance，Bruker) 来检测，X射线发射源CuKα光源， X射线波长为0.154 nm，扫描速度 0.02 °/s，扫描步长 0.01 °，扫描范围20～70 °．涂层的硬度和杨氏模量通过纳米压痕仪(CSM，TTX-NHT) 测得，测试时压头的最大压入深度控制在涂层总厚度的10%左右，载荷10 mN，加、卸载时间各30 s．涂层与基体的结合强度通过使用划痕仪(CSM, Revetest scratch tester)来检测，测试参数如下：1～100 N的渐进载荷，划痕长度5 mm，针尖移动速度10 mm/min．

2 试验结果及分析

2.1 涂层的成分及结构

表2为AICrNi涂层元素组成.由表2可知，随着基体偏压的增加，涂层中各元素的含量均未发生较大的变化，其中Al元素的含量在30.30%～32.52%之间波动，Cr元素含量在23.59%～24.60%之间变化，N元素含量基本保持在36.10%～38.59%之间．由表2还可知，N/(Al+Cr)的值逐渐变大，说明N元素在涂层中的占比逐渐增加．

表2 AlCrN涂层元素组成

图1为AlCrN涂层在不同基体偏压下的XRD图谱．从图1可见，AlCrN涂层存在立方CrN(200)和CrN(220)及六方AlN(110)的衍射峰，其中CrN(220)在偏压大于等于-100 V时才会出现，而六方AlN(110)的衍射峰在偏压大于等于-60 V时才会出现，并在偏压为-100 V时衍射峰强度最大，继续增加偏压则衍射峰强度变小．AlCrN涂层与CrN (JCPDS No. 76-2494)对比发现，衍射峰都向更低的角度偏移，这是因为Al的原子半径大于Cr的原子半径，Al取代Cr在CrN中的位置时晶格发生畸变导致的．

图1 不同基体偏压下AlCrN涂层XRD图Fig.1 The X-ray diffraction patterns of the AlCrN coatings deposited on different bias voltage

2.2 涂层的形貌

图2及图3分别为AlCrN涂层在不同基体偏压下表面和截面的形貌图．从图2可见，随着基体偏压的增加涂层表面的大颗粒的尺寸和数量会逐步减小．在基体偏压大于-60 V时，涂层能得到较好的表面质量．从图3可见：涂层结构致密并与基体结合紧密，且涂层为柱状晶生长结构；CrN过渡层的厚度约为500 nm，而随着基体偏压的增加，涂层的总厚度逐步下降，由4.98 μm降至了3.63 μm．这是因为偏压增加使得粒子到达基体时能量更大，从而导致涂层变得更加致密，涂层厚度变小．

2.3 AlCrN涂层的力学性能

图4为不同基体偏压下AlCrN涂层的硬度和弹性模量图．从图4可见，涂层的硬度及弹性模量随着基体偏压的增加而逐步上升，在基体偏压为-150 V时有着最大值，分别为32.5±2.0 GPa和490±111.0 GPa．涂层硬度的增加可能是偏压升高使得粒子达到基体时的能量更强，从而使得粒子的迁移及扩散能力增强，形核数目增加，晶粒减小，进而致使涂层结构更加致密，硬度增加．

图2 不同基体偏压下AlCrN涂层的表面SEM图(a) -30 V；(b)-60 V；(c) -100 V；(d)-150 VFig.2 Surface SEM micrographs of the AlCrN coatings deposited on different bias voltage

图3 不同基体偏压下AlCrN涂层的截面SEM图(a) -30 V；(b)-60 V；(c) -100 V；(d)-150 VFig.3 Cross-sectional SEM micrographs of the AlCrN coatings deposited on different bias voltage

图4 不同基体偏压下AlCrN涂层的硬度和弹性模量图Fig.4 The hardness and the AlCrN elasticity modulus of coatings deposited on different bias voltage

图5 不同基体偏压下AlCrN涂层的划痕形貌图(a) -30 V；(b)-60 V；(c) -100 V；(d)-150 VFig.5 The optical images of the scratch tracks of the AlCrN coatings deposited on different bias voltage

划痕形貌使用光学显微镜来进行观测，Lc是用来评价涂层与基体结合强度的主要参数．图5为不同基体偏压下AlCrN涂层的划痕形貌图，涂层被划破时的临界载荷Lc在图中标出．从图5可见，随着涂层基体偏压的增加，涂层的临界载荷先增加后减小．当基体偏压小于-60 V时，涂层的临界载荷均为15 N左右．然而，随着基体偏压增加至-100 V时，涂层的临界载荷数值增大至40 N左右．但是，涂层的临界载荷随着偏压的继续升高会逐渐变小．涂层临界载荷变大的原因，是随着偏压的增大到达基体表面的粒子能量更大，从而获得了更好的迁移和扩散能力，涂层原子附着在基体上时能与基体原子产生强键结合．然而，随着偏压的继续增加，离子获得过高的能量会使沉积的涂层内应力增加，从而导致临界载荷开始降低．

3 结 论

应用HIPIMS技术制备AlCrN涂层，通过改变基体偏压获得一系列的AlCrN涂层，研究基体偏压对涂层结构和性能的影响．

(1)XRD分析结果表明，Al元素的加入使得CrN的衍射峰都向更低的角度偏移．

(2)随着基体偏压的增加，AlCrN涂层的表面大颗粒数量和尺寸会逐步减小，基体偏压大于-60 V时，涂层有着较好的表面质量．

(3)在基体偏压为-150 V时，AlCrN涂层硬度和弹性模量均有着最大的值分别为32.5±2.0 GPa和490±111.0 GPa．

(4)在基体偏压为-100 V时，AlCrN涂层有最大的临界载荷值约为40 N，涂层与基体的结合强度最大．