偏壓對奈米複合AlCrN/TiSiN塗層微觀結構與機械性質的影響
Liang Xiaobiao, Chen Yafen, Zhang Jiaquan
廣東華昇納米科技有限公司
抽象的： 採用以下方法製備了功能層偏壓分別為40V、80V、120V和150V的多層AlCrN/TiSiN複合塗層薄膜： AIP+HiPiMS技術利用掃描電子顯微鏡觀察表面液滴，測量塗層硬度、附著力和應力，並進行切割試驗，以探討功能層偏壓變化對塗層性能的影響。結果表明，隨著功能層偏壓的增加，液滴數量先減少後增加，硬度和附著力則先增大後減少。在120V時，硬度和附著力達到最大值，分別為34.6GPa和117.5N。內部應力隨功能層基底偏壓的增加而增加。切割試驗結果表明，在120V功能層偏壓下，塗層的使用壽命最長，可達8小時。
關鍵字： 功能層偏壓；表面液滴；奈米硬度；黏附力；切割性能
介紹
硬質塗層能有效阻礙刀具與切削材料間的元素擴散，進而提高加工刀具的使用壽命。 CrN塗層具有優異的耐腐蝕性和耐磨性，且內應力極低，但其熱穩定性在650℃以上時較差。將Al原子引入CrN並取代部分Cr元素後，Al元素和Cr元素在高溫下形成緻密的Al₂O₃和Cr₂O₃薄膜，有效阻止O元素擴散到塗層中，且塗層的抗氧化性能隨Al元素含量的增加而提高。然而，當溫度高於900℃時，脆性w-AlN會在AlCrN塗層中析出，導致塗層性能下降，尤其是在高速乾切削過程中。刀具與切屑接觸區域的溫度可高達1000℃，這會降低刀具的切削性能，使其難以滿足現代切削的需求。
一些研究表明，在AlCrN塗層中引入Si可以顯著提高塗層的抗氧化性能，同時在塗層中形成非晶態SiNx包覆的奈米晶結構，從而減小晶粒尺寸，提高塗層的強度和韌性。 Parlinska-Wojtan等人在TiAlN中添加Si元素製備了TiAlSiN塗層。添加Al+Si後，塗層的硬度高達41GPa，高於TiAlN塗層。 Hsien-Wei Chen等人發現，在AlCrN塗層中添加Si可以細化塗層晶粒，並提高其抗氧化性能。多層結構設計已被證明是提高塗層性能的有效方法。層間牢固的界面可以阻礙塗層中的位錯運動，抑制柱狀晶的生長，並阻礙裂紋擴展，從而提高塗層的熱穩定性、高溫處理後的硬度和高溫抗氧化性能。 AlCrN/TiSiN多層塗層 它結合了AlCrN塗層優異的抗氧化性和TiSiN塗層的超硬特性，具有廣闊的發展前景。
在製備過程中，高密度離子和中性粒子在基底偏壓下沉積於基底表面，但電弧離子鍍（AIP）沉積過程中不可避免地存在大顆粒液滴現象。磁控濺鍍雖然沉積過程可以獲得良好的表面質量，但其電離率和沈積速率較低，因此將AIP與磁控濺射相結合可以製備出性能相對優異的塗層。然而，不同的偏壓會導致等離子體能量發生較大變化，進而影響塗層的表面形貌、微觀結構和機械性質。因此，本文基於電弧離子鍍（AIP）和高功率脈衝磁控濺鍍（HiPiMS）複合技術製備AlCrN/TiSiN多層結構塗層，透過調節功能層的負偏壓，探討功能層負偏壓變化對AlCrN/TiSiN多層結構塗層的微觀結構、塗層組成和機械性能的影響。
實驗設備和方案
採用廣東華昇奈米科技有限公司的HA800磁控濺鍍真空鍍膜及AIP設備，使用六個圓形陰極電弧靶及兩個方形磁控靶進行PVD鍍膜。圓形靶直徑為160mm，Al/Cr原子比為70/30；方形靶尺寸為500mm×100mm×10mm，Ti/Si原子比為80/20。採用拋光硬質合金方形試片、不鏽鋼試樣及APMT1135PDER硬質合金刀片進行分析測試，並在基體上施加四種不同的負偏壓（40V、80V、120V、150V）。
塗層製備製程包括熱輻射加熱、等離子體蝕刻、塗覆和冷卻。等離子體蝕刻採用氬氣電離產生的Ar+，透過在基片上施加-200V電壓進行蝕刻，等離子體蝕刻清洗約45分鐘。塗覆製程：底層為以AIP製程製備的約0.4μm厚的AlCrN塗層，偏壓固定；功能層約0.14μm厚的AlCrN及0.13μm厚的TiSiN交替沉積6次，表面層為TiSiN塗層。 AlCrN塗層在氮氣和氬氣的混合氣氛中塗覆，腔室壓力保持在2.8 Pa，靶電流約為190A；TiSiN塗層採用HiPiMS技術製備，偏壓固定，功率約為8kW，佔空比約為28%，腔室壓力約為0.6 Pa，Ar:N2比例約為3:1，其中AlCrN塗層的偏壓為…功能層電壓分別為40V、80V、120V和150V。塗覆溫度維持在500℃，塗層總厚度約2.2μm。
以蔡司FESEM Sigma300場發射掃描電子顯微鏡分析塗層樣本的微觀結構，以表徵塗層的結構、表面形貌及厚度。採用安東帕NHT3奈米壓痕儀測量塗層硬度，施加20 mN載荷，加載速率為40 mN/min，保持10 s。壓痕深度小於塗層厚度的1/10，透過基體選擇收集到足夠的數據。採用安東帕NST3奈米划痕儀測量塗層與硬質合金基體之間的附著力，設定120 N終止載荷，划痕長度為3 mm，划痕時間為30 s，每個塗層重複測試三次。採用SuPro FST1000薄膜應力儀，基於基體彎曲法和Stoney方程，測試不銹鋼基體的薄膜殘餘應力，並分析不同方案下殘餘應力的變化趨勢。透過取相對值進行比較。
使用APMT1135PDER銑刀進行切削試驗，在諾金機械K-V855GCNC數控銑床上，採用業界常用加工參數對45號鋼進行切削加工。利用基恩士VHX-7000數位顯微鏡系統捕捉切削過程中的磨損情況，透過比較銑刀背面的磨損量來評估塗層性能。銑刀使用壽命的判定標準為後刀面磨損量達300μm。
實驗結果與討論
3.1 功能層負偏壓對塗層表面形貌及斷面尺寸的影響
如圖1所示，功能層負偏壓的變化會導致功能層液滴形態的變化，後續的表面沉積也會呈現相同的液滴形態。可以看出，隨著偏壓的增加，塗層表面的液滴數量先減少後增加。當功能層負偏壓為40V時，液滴的數量和尺寸都較大；當負偏壓增加到80V和120V時，塗層表面的液滴數量減少，這是因為基底的負偏壓會加速等離子體中的正離子，而加速所獲得的能量隨著負偏壓的增加而增加。高能量粒子對塗層的轟擊更加強烈，導致功能層表面的液滴減少，這表現為後續表面塗層沉積過程中塗層液滴數量的減少。當基底的負偏壓繼續增加到150V時，離子轟擊能量增強，導致塗層發生反向濺射，甚至在功能層塗層表面形成孔洞。在後續塗層沉積過程中，更多的液滴會殘留在這些孔洞處。
圖1 不同功能層在負偏壓下塗層表面的液滴形貌
圖2展示了不同功能層在負偏壓下的橫斷面形貌和塗層厚度統計。可以看出，隨著功能層負偏壓的增加，橫斷面厚度逐漸減小，從40V時的2.303μm減小到150V時的2.021μm。主要原因是隨著功能層負偏壓的增加，塗層結構變得更加緻密，導致塗層厚度減小；尤其是在150V時，抗濺鍍能力增強，進一步降低了橫斷面塗層厚度。
圖 2 不同功能層的負偏壓對塗層橫斷面厚度的影響。
3.2 功能層負偏壓對塗層內應力及硬度的影響
圖 3a 顯示了不同功能層在負偏壓下塗層內部應力曲線的變化。可以看出，塗層應力為壓應力，塗層內部應力隨著偏壓的增加而逐漸增大，從 40V 時的 2.23GPa 增加到 150V 時的 4.35GPa。
（a）負偏壓對塗層應力的影響
（b）負偏壓對塗層硬度的影響
圖 3 不同功能層的負偏壓對塗層殘餘應力和硬度的影響。
圖3b顯示了不同功能層在負偏壓下塗層硬度的變化。當功能層的負偏壓為40 V時，奈米壓痕硬度為33.2 GPa；當負偏壓增加到80 V時，奈米壓痕硬度增加到34.2 GPa；當負偏壓繼續增加到120 V和150 V時，奈米壓痕硬度分別為34.6 GPa和34 GPa，硬度呈現先升高後降低的趨勢。塗層硬度的變化與功能層的負偏壓密切相關。隨著功能層負偏壓的增加，製備過程中的轟擊能量增大，導致塗層結構由柱狀晶轉變為細晶粒結構。同時，殘餘壓應力阻礙了柱狀晶的晶界滑移，提高了塗層的抗變形能力。因此，當功能層的負偏壓從40 V增加到120 V時，奈米壓痕硬度逐漸降低。當電壓為 120V 時，奈米壓痕硬度增加；但當功能層的負偏壓繼續增加到 150V 時，塗層晶體結構被破壞，反向濺鍍增強。
3.3 不同功能層負偏壓對塗層附著力的影響
圖4展示了不同功能層在負偏壓下的塗層附著力，Lc1塗層附著力是基於塗層開始出現的基體進行評估的。 40V、80V、120V和150V時的Lc1值分別為98.95N、109.8N、117.5N和93N。可以看出，隨著功能層負偏壓從40V增加到120V，塗層的應力和硬度都增加，塗層的結合力也隨之增加。當偏壓繼續增加到150V時，內部應力更高，導致塗層脆性增加，結合力降低。
圖 4 不同功能層的負偏壓對塗層附著力的影響。
3.4 不同功能層負偏壓對切削性能的影響
切削試驗條件為：線速度 Vc = 117.5m/min，進給量 fz = 0.57mm/r，切削深度 ap = 0.3mm，冷卻方式為空冷。圖 5 顯示了切削壽命與後刀面磨損的關係。
圖 5 不同切削使用壽命條件下，負偏壓下不同功能層的磨損比較。
當40V功能層負偏壓處理5小時後，刀具後刀面磨損達0.41mm並失效；當40V功能層負偏壓處理6小時後，刀具後刀面磨損達0.36mm並失效；當120V功能層負偏壓處理8小時後，刀具後刀面磨損為0.33mm。當偏壓為150V時，刀具後刀面磨損為0.33mm，刀具在6小時後失效，後刀面磨損為0.36mm。刀具失效趨勢與塗層硬度變化趨勢一致，功能層負偏壓為120V時，耐磨性最佳。
圖6展示了加工5小時後刀具磨損狀況的比較。可以看出，當功能層負偏壓為40V時，由於塗層硬度和應力較低，切削刃處塗層已發生剝落，且塗層剝削後基體仍參與切削，導致刀具切削刃崩裂。將功能層的負偏壓提高到80V，塗層的耐磨性增強，未發生大面積塗層剝落，但磨損區寬度增大，約為0.18mm；當功能層的負偏壓繼續增加到120V時，塗層的附著力和硬度得到改善，刀具耐磨性顯著提高，磨損區寬度顯著減小，約為0.14mm；然而，當功能層的負偏壓增加到150V時，負偏壓濺射導致功能層硬度和附著力下降，耐磨性降低，5小時磨損帶寬度約為0.14mm。 0.18毫米。
圖 6 使用 5 小時後工具磨損模式的比較。
4 結論
AlCrN/TiSiN複合塗層 採用AIP和高功率脈衝磁控濺鍍膜製程製備了多層結構薄膜。研究了不同功能層負偏壓對鍍膜表面、硬度、附著力和切削性能的影響，並得出以下結論。
（1）隨著功能層負偏壓的增加，塗層表面的液滴數量先減少後增加，在功能層負偏壓為120V時，液滴數量最少，粗糙度最小；
（2）功能層中塗層的硬度和附著力呈負偏壓。在 120V 電壓下，其最大值分別為 34.6GPa 和 117.5 N。
（3）提升功能層的負偏壓塗層應力增大；
（4）切割 45 號鋼時，負偏壓為 120V 的功能層的切割性能最佳，使用壽命為 8 小時。
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