脈沖疊加直流偏壓電弧離子鍍TiCrNx薄膜的制備與性能研究

　　采用脈沖疊加直流偏壓電弧離子鍍技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具表面制備TiCrNx 薄膜，利用XRD，SEM，多功能材料表面性能測(cè)試儀等對(duì)TiCrNx 薄膜進(jìn)行表征。結(jié)果表明，TiCrNx 與TiN 薄膜相比，硬度有所下降。膜- 基結(jié)合力與靶材陰極弧電流及偏壓有關(guān)。

　　在新興的薄膜材料中，TiN 是研究較早，應(yīng)用較為廣泛的一種薄膜材料，TiN 具有較高的硬度，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，外觀光亮。這些特殊的優(yōu)點(diǎn)使得TiN 在工具表面強(qiáng)化及裝飾品的表面美化等行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，這種單一的涂層越來(lái)越不能滿足人們的生產(chǎn)需要，首先是涂層本身的硬度還不夠高，涂層孔隙率較大，而且與鋼的附著力不夠理想，高溫抗氧化性仍嫌不足，因而真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為研究更好的氮化物涂層已成為新的研究熱點(diǎn)。

　　在TiN 基體涂層中引入Cr、Ta、Al等金屬元素可以改善涂層的綜合性能，特別是對(duì)精密工模具在高速高溫工況條件下涂層的使用性能具有很大的提高。本論文的基本思想是在TiN 涂層中引入Cr 元素，探索電弧離子鍍制備TiCrNx 薄膜的合成工藝及其性能。

　　本實(shí)驗(yàn)采用直流偏壓與脈沖偏壓相互疊加多弧離子鍍技術(shù)制備TiCrNx 薄膜。試驗(yàn)中樣品為硬質(zhì)合金，真空室抽至真空度5.0×10^-3 Pa，充入Ar氣，接通交流負(fù)偏壓，Ar 離子清洗15 min。開(kāi)鈦靶沉積過(guò)渡層，開(kāi)啟鈦鉻靶沉積TiCrNx 薄膜，此時(shí)施加一定的脈沖、直流偏壓，氮分壓為0.5×10^-1 Pa，冷卻90 min 之后完成樣品制備。沉積過(guò)程中樣品偏壓、溫度及鈦和鉻陰極弧電流控制如表1 所示。

　　采用多弧離子鍍技術(shù)成功制備了TiCrNx 薄膜，并對(duì)其物相結(jié)構(gòu)、形貌及主要性能進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下：

　　(1)SEM 表面分析結(jié)果表明，鉻靶電流主要是影響膜層表面的致密性，鈦靶電流和偏壓主要是影響膜層表面的顆粒和凹坑的存在。

　　(2)XRD 分析結(jié)果表明，膜層主要以TiN、CrN 及Cr2N 形式存在。各衍射峰存在一定的寬化和偏移，這主要是Cr 取代部分TiN 晶格中的Ti造成晶格畸變所致;TiN 相的擇優(yōu)取向面由(111)向(220) 轉(zhuǎn)變，CrN 和Cr2N 相的擇優(yōu)取向分別為(200)、(220)和(113)晶面;

　　(3)結(jié)合力測(cè)試結(jié)果顯示，樣品薄膜的結(jié)合力在38 N 到44 N 之間。偏壓相同，陰極弧電流依次增大，結(jié)合力也增大。陰極弧電流相同，偏壓增高，結(jié)合力變大。

　　(4)顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，樣品薄膜的硬度較TiN 單層膜有所下降，主要是因?yàn)楸∧こ练e過(guò)程中熔融的液鈦或液鉻附著在薄膜表面，在薄膜表面形成大顆粒以及多弧離子自身存在缺陷微孔洞的形成，使得薄膜表面結(jié)構(gòu)疏松，硬度值相對(duì)較低;另一方面是由于薄膜較薄，所測(cè)顯微硬度受基體的影響較大。