真空 ›› 2024, Vol. 61 ›› Issue (4): 22-29.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2024.04.05
赵凡, 项燕雄, 邹长伟, 于云江, 梁枫
ZHAO Fan, XIANG Yan-xiong, ZOU Chang-wei, YU Yun-jiang, LIANG Feng
摘要: 过渡金属氮化物硬质涂层在切削刀具、精密模具和机械零部件等领域有着广泛的应用。随着切削技术的进步和难加工材料的增多,硬质涂层已由传统的二元涂层向着三元、四元涂层不断发展。(Cr,Ti,Al)N四元涂层因其优异的综合性能而备受研究人员的关注。本文从磁控溅射镀膜的基本原理和技术特点出发,介绍了制备(Cr,Ti,Al)N涂层常见的磁控溅射镀膜技术,分析了采用单质靶与合金靶沉积镀膜的效果及其各自的优缺点,研究了磁控溅射工艺参数对(Cr,Ti,Al)N涂层机械性能的影响,最后讨论了(Cr,Ti,Al)N梯度涂层的作用及其制备方法。本文可为设计(Cr,Ti,Al)N涂层制备工艺、改善(Cr,Ti,Al)N涂层性能提供理论参考与指导。
中图分类号: TB43;TG174.444
[1] 刘聪, 张钧, 张热寒, 等. (Ti,Al,Cr)N膜系的研究进展[J]. 材料保护, 2021, 54(3): 131-136. [2] 赵升升. 氮化物硬质薄膜残余应力的研究进展[J]. 深圳职业技术学院学报, 2013, 12(3): 64-69. [3] 李根, 张高会. 硬质薄膜研究综述[J]. 宁波教育学院学报, 2010, 12(5): 82-85. [4] 唐凯, 朱生发, 吴艳萍. TiAlN 和 TiCrAlN 薄膜的制备和耐磨性能[J]. 功能材料, 2015(23): 23148-23152. [5] 韩亮, 杨立, 陈仙, 等. 氮化物硬质涂层中Cr、Ti和Al元素对摩擦磨损特性的影响[J].真空, 2012, 49(2): 47-51. [6] 白力静, 蒋百灵, 文晓斌, 等. 热氧化温度对磁控溅射CrTiAlN梯度镀层表面形貌与组织结构的影响[J]. 材料热处理学报, 2005, 26(4): 111-114. [7] 楼白杨, 王肖璟, 周艳, 等. 温度对复合CrTiAlN涂层摩擦磨损性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2018, 47(3): 949-953. [8] 蔡志海, 胡佳帅, 杜月和, 等. TiN基复合涂层硬质合金刀具的力学性能与切削性能研究[J]. 装甲兵工程学院学报, 2007, 21(2): 87-90. [9] 王均涛, 刘平, 李伟, 等. TiAlN硬质涂层的研究进展[J]. 热加工工艺, 2010, 39(20): 104-109. [10] 王目孔, 马瑞新, 林炜, 等. TiAlN硬质薄膜/涂层材料的研究进展[J]. 硬质合金, 2008, 25(3): 186-191. [11] 郑康培, 刘平, 李伟, 等. AlCrN硬质涂层材料的研究进展[J]. 材料导报, 2010, 24(17): 44-48. [12] 金浩, 张莹莹, 时卓, 等. 磁控溅射技术制备CrAlN涂层的研究进展[J]. 材料导报, 2016, 30(3): 54-59. [13] 朱雪飞, 刘云超, 施雯. SDC90钢CrTiAlN和AlTiN涂层承载能力和耐磨性的研究[J]. 上海金属, 2016, 38(1): 15-19. [14] 王宇星, 陈凯南, 周艳, 等. CrTiAlN薄膜的微观结构及其高温摩擦磨损性能[J]. 材料科学与工程学报,2016, 34(5): 716-720. [15] 陈迪春, 蒋百灵, 吴文文. 磁控溅射CrAlTiN镀层的微观结构研究[J]. 西安理工大学学报, 2010, 26(4): 398-402. [16] 楼白杨, 周艳. CrTiAlN涂层的高温抗氧化性能[J]. 材料科学与工程学报, 2016, 34(2): 204-207. [17] XU Y X, RIEDL H, HOLEC D, et al.Thermal stability and oxidation resistance of sputtered Ti-Al-Cr-N hard coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2017, 324: 48-56. [18] ZOU C W, ZHANG J, XIE W, et al.Characterization and mechanical properties of Ti-Al-Cr-N nanocomposite coatings deposited by closed field unbalanced middle frequency magnetron sputtering[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2011, 50(12): 125806. [19] 贠柯, 鲁元, 杨旭, 等. 磁控溅射制备CrTiAlN梯度镀层的热冲击性能研究[J]. 材料导报, 2014, 28(20): 102-105. [20] STRNAD G, BIRO D, BOLOS V, et al.Researches on nanocomposite self-lubricated coatings[J]. Metalurgia International, 2009, 14: 121-124 [21] ZHOU Z F, TAM P L, SHUM P W, et al.High temperature oxidation of CrTiAlN hard coatings prepared by unbalanced magnetron sputtering[J]. Thin Solid Films, 2009, 517(17): 5243-5247. [22] FERNANDES F, DANEK M, POLCAR T, et al.Tribological and cutting performance of TiAlCrN films with different Cr contents deposited with multilayered structure[J]. Tribology International, 2018, 119: 345-353. [23] HUANG F, WEI G H, BARNARD J A, et al. Microstructure and stress development in magnetron sputtered TiAlCr(N) films[J]. Surface & Coatings Technology, 2001, 146/147: 391-397. [24] WANG Q Z, ZHOU F, YAN J W.Evaluating mechanical properties and crack resistance of CrN, CrTiN, CrAlN and CrTiAlN coatings by nanoindentation and scratch tests[J]. Surface & Coatings Technology, 2016, 285: 203-213. [25] HORLING A, HULTMAN L, SJOLEN J, et al. Composite structured wear resistant coating: EP1452621A2[P].2004-09-01. [26] HORLING A, HULTMAN L, SJOLEN J, et al. Precipitation hardened wear resistant coating: US7056602B2[P].2006-06-06. [27] ZHANG J, LV H M, CUI G Y, et al.Effects of bias voltage on the microstructure and mechanical properties of (Ti,Al,Cr)N hard films with N-gradient distributions[J]. Thin Solid Films, 2011, 519(15): 4818-4823. [28] FUKUMOTO N, EZURA H, YAMAMOTO K, et al.Effects of bilayer thickness and post-deposition annealing on the mechanical and structural properties of (Ti,Cr,Al)N/(Al,Si)N multilayer coatings[J]. Surface & Coatings Technology, 2009, 203(10/11): 1343-1348. [29] KONG D J, FU G Z.Friction and wear behaviors of AlTiCrN coatings by cathodic arc ion plating at high temperatures[J]. Journal of Materials Research, 2015, 30(4): 503-511. [30] BOEHLMARK J, CURTINS H, GENVAD A. Coated cutting tool: WO2013041576A1[P].2013-03-28. [31] GOTHELID E, PETTERSSON M. Coated cutting tool: WO2017009101A1[P].2017-01-19. [32] 李芬, 朱颖, 李刘合, 等. 磁控溅射技术及其发展[J]. 真空电子技术, 2011(3): 49-54. [33] PRIETO-NOVOA G, VALLEJO F, PIAMBA O, et al.Effects of Cr concentration on the structure and the electrical and optical properties of Ti-Al-Cr-N thin films prepared by means of reactive co-sputtering[J]. Crystals. 2022, 12(12): 1831. [34] 徐万劲. 磁控溅射技术进展及应用(上)[J]. 现代仪器, 2005, 11(5): 1-5. [35] 郝晓亮. 磁控溅射镀膜的原理与故障分析[J].电子工业专用设备, 2013, 42(6): 57-60. [36] 杨文茂, 刘艳文, 徐禄祥, 等. 溅射沉积技术的发展及其现状[J]. 真空科学与技术学报, 2005, 25(3): 204-210. [37] 余东海, 王成勇, 成晓玲, 等. 磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 真空, 2009, 46(2): 19-25. [38] 张继成, 吴卫东, 许华, 等. 磁控溅射技术新进展及应用[J]. 材料导报, 2004(4): 56-59. [39] 杨林生, 王君, 陈长琦. 硬质薄膜技术的最新发展[J]. 真空, 2009, 46(6): 35-39. [40] 白力静, 李玉庆, 肖继明, 等. 闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在切削刀具上的应用[J]. 西安理工大学学报, 2006, 22(1): 20-23. [41] 白力静, 肖继明, 蒋百灵, 等. 磁控溅射CrTiAlN涂层钻头的制备及其钻削性能研究[J]. 表面技术, 2005, 34(4): 21-23. [42] 种艳琳, 蒋白灵, 白力静. 闭合场非平衡磁控溅射离子CrAlTiN镀层在PCB用微钻中的应用[J]. 表面技术, 2006, 35(2): 65-68. [43] LU L, WANG Q M, CHEN B Z, et al.Microstructure and cutting performance of CrTiAlN coating for high-speed dry milling[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(6): 1800-1806. [44] KIRYUKHANTSEV-KORNEEV V, PHIRI J, GLADKOV V I, et al.Erosion and abrasion resistance, mechanical properties, and structure of the TiN, Ti-Cr-Al-N and Cr-Al-Ti-N coatings deposited by CFUBMS[J]. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2019, 55, 913-923. [45] ZHANG G, YANG S, JIANG B, et al.Up-scaled Teer-UDP850/4 unbalanced magnetron deposition system used for mass-production of CrTiAIN hard coatings[J]. Transactions of Materids and Heat Treatment, 2004, 25(5): 827-831. [46] 暴一品, 李刘合, 刘峻曦, 等. 高功率脉冲磁控溅射研究进展[J]. 原子核物理评论, 2015, 32(增刊1): 52-58. [47] 吴志立, 朱小鹏, 雷明凯. 高功率脉冲磁控溅射沉积原理与工艺研究进展[J]. 中国表面工程, 2012, 25(5): 15-20. [48] 王启民, 张小波, 张世宏, 等. 高功率脉冲磁控溅射技术沉积硬质涂层研究进展[J]. 广东工业大学学报, 2013(4): 1-13. [49] 吴忠振, 朱宗涛, 巩春志, 等. 高功率脉冲磁控溅射技术的发展与研究[J]. 真空, 2009, 46(3): 18-22. [50] 马安博. 高功率脉冲磁控溅射技术的研究及应用[J].真空, 2018, 55(2): 26-29. [51] ALHAFIAN M R, CHEMIN J B, VALLE N, et al.Study of the oxidation mechanism at high temperature of nanofiber textured AlTiCrN coatings produced by physical vapor deposition using high-resolution characterization techniques[J]. Corrosion Science, 2022, 201: 110226. [52] LIN J L, ZHANG X H, OU Y X, et al.The structure, oxidation resistance, mechanical and tribological properties of CrTiAlN coatings[J]. Surface & Coatings Technology, 2015, 277: 58-66. [53] YANG S, TEER D G.Properties and performance of CrTiAlN multilayer hard coatings deposited using magnetron sputter ion plating[J]. Surface Engineering, 2002, 18(5): 391-396. [54] 付泽钰, 王天国. TiAlCrN涂层的研究现状及发展前景[J]. 世界有色金属, 2021(1): 176-177. [55] JUNG D H, MOON K I, SHIN S Y, et al.Influence of ternary elements (X=Si, B, Cr) on TiAlN coating deposited by magnetron sputtering process with single alloying targets[J]. Thin Solid Films, 2013, 546: 242-245. [56] 贵宾华, 周晖, 郑军, 等. 脉冲峰值电流对HIPIMS/DCMS共沉积制备AlCrTiN涂层性能的影响[J]. 中国表面工程, 2016, 29(5): 56-65. [57] 刘云超, 罗艳艳, 朱雪飞, 等. 光发射谱对CrTiAlN涂层性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2017, 27(4): 760-765. [58] 石永敬, 潘复生, 王维青, 等. 溅射沉积铝合金基CrTiAlN涂层的结构、力学以及摩擦学特性[J]. 中国有色金属学报, 2011, 21(9): 2099-2104. [59] 邓建伟, 田灿鑫, 黎明, 等. 等离子体沉积CrN和CrTiAlN薄膜[C]//.中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第6册). 北京: 中国核学会, 2009: 482-488. [60] 贵宾华, 周晖, 郑军, 等. N2流量对HIPIMS/DCMS共沉积制备TiAlCrN涂层结构及性能的影响[J]. 真空科学与技术学报, 2016, 36(7): 800-806. [61] 金杰, 李娜, 田正磊, 等. 靶/基距对CrTiAlN薄膜性能影响的研究[J]. 浙江工业大学学报, 2013, 41(1): 73-75. [62] 林静, 张硕, 马德政, 等. 沉积温度对AlCrTiN涂层组织结构与性能的影响[J]. 中国表面工程, 2021, 34(6): 114-123. [63] 罗艳艳, 施雯, 万紫. Ti靶电流对CrTiAlN涂层摩擦磨损性能的影响[J]. 上海金属, 2019, 41(2): 76-80. [64] 贠柯, 蒋百灵, 白力静. Ti靶电流对CrTiAlN镀层组织结构及硬度的影响[J]. 材料热处理学报, 2009, 30(6): 149-153. [65] 宋庆功, 程立军. 磁控溅射制备(Ti,Al,Cr)N硬质薄膜及其力学性能的研究[J]. 真空, 2009, 46(5): 26-29. [66] 程立军, 宋庆功. 磁控溅射制备TiAlCrN硬质薄膜及其抗腐蚀性能[J]. 材料保护, 2009, 42(9): 16-18. [67] DANEK M, FERNANDES F, CAVALEIRO A, et al.Influence of Cr additions on the structure and oxidation resistance of multilayered TiAlCrN films[J]. Surface & Coatings Technology, 2017, 313: 158-167. [68] SUI X D, LI G J, ZHOU H B, et al.Evolution behavior of oxide scales of TiAlCrN coatings at high temperature[J]. Surface & Coatings Technology, 2019, 360: 133-139. [69] ASTRAND M, AHLGREN M, BLOMQVIST H. A PVD method for deposition a coating onto a body and coated bodies made thereof: WO2011034492A1[P].2011-03-24. [70] 严少平, 孙雅琴, 段冰, 等. 基体偏压对CrTiAlN镀层摩擦磨损性能的影响[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2007, 30(8): 966-970. [71] 白力静, 张国君, 蒋百灵. 偏压对CrTiAlN镀层组织形貌及磨损性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2006,27(5): 100-103. [72] 陈迪春, 蒋百灵, 吴文文, 等. 镁合金表面磁控溅射CrAlTiN镀层的制备技术研究[J]. 表面技术, 2008, 37(2): 8-10. [73] TAM P L, ZHOU Z F, SHUM P W, et al.Structural, mechanical, and tribological studies of Cr-Ti-Al-N coating with different chemical compositions[J]. Thin Solid Films, 2008, 516(16): 5725-5731. [74] 李凌, 蒋百灵, 白力静. CrAlTiN镀层在精密铣刀上的应用研究[J]. 材料保护, 2007, 40(1): 56-59. [75] 肖继明, 李言, 白力静, 等. CrAlTiN涂层高速钢刀具的切削性能和磨损特性[J]. 材料热处理学报, 2005, 26(6): 117-121. [76] 于磊, 鲍明东, 应鹏展. Al、Ti共掺杂CrN基镀层的结构调变和摩擦学性能[J]. 热加工工艺, 2008, 37(24): 45-48. [77] 李凌, 文晓斌, 李小泉. 闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在PCB铣刀上的应用与研究[J]. 印制电路信息, 2006(1): 43-45. [78] 张豪, 许向敏, 费晓燕, 等. CrTiAlN涂层在800 ℃和900 ℃时对H13钢氧化性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2013, 42(12): 2715-2719. [79] 严少平, 孙雅琴, 段冰, 等. 非平衡磁控溅射CrTiAlN镀层摩擦学性能分析[J]. 安徽理工大学学报(自然科学版), 2006, 26(4): 92-96. [80] 肖继明, 白力静, 李言, 等. 磁控溅射CrAlTiN涂层高速钢麻花钻的钻削试验研究[J]. 西安理工大学学报, 2006, 22(2): 119-122. |
[1] | 白皓宇, 姚春龙, 董明, 秦瑞, 白永浩, 王奕楠. 超高陡度长波通拉曼滤光片的研制[J]. 真空, 2024, 61(4): 12-16. |
[2] | 纪建超, 颜悦, 哈恩华. 沉积参数对TiO2纳米薄膜的显微结构和光学性能的影响*[J]. 真空, 2024, 61(3): 57-62. |
[3] | 李灿民, 董中林, 夏正卫, 张心凤, 魏荣华. 等离子增强磁控溅射制备TiCr基纳米复合涂层的显微组织和性能[J]. 真空, 2024, 61(2): 10-15. |
[4] | 徐照英, 张腾飞, 王锦标, 陈巧旺. TiAlN硬质薄膜的制备工艺及结构性能研究进展*[J]. 真空, 2024, 61(2): 29-36. |
[5] | 徐海龙, 付宝全. 高Mo含量钛合金的真空制备及耐蚀性能研究[J]. 真空, 2023, 60(6): 53-60. |
[6] | 李灿民, 张心凤, 魏荣华. 等离子增强磁控溅射制备TiCr基纳米复合涂层的耐冲蚀耐腐蚀性能[J]. 真空, 2023, 60(5): 37-41. |
[7] | 刘文丽, 刘旭, 尹翔. 动态磁场矩形平面磁控靶开发[J]. 真空, 2023, 60(5): 47-50. |
[8] | 张艳鹏, 曹志强, 付强, 曹磊, 刘旭. 卷绕镀铜工艺对复合集流体电学性能影响研究[J]. 真空, 2023, 60(4): 8-12. |
[9] | 黄传鑫, 辛纪英, 田中俊, 王猛, 吕凯凯, 梁兰菊, 刘云云. 氧气等离子体处理提升InZnO材料及TFT电学性能和稳定性研究*[J]. 真空, 2023, 60(4): 24-28. |
[10] | 余康元, 何玉丹, 杨波, 罗江山. 溅射电压对高功率脉冲磁控溅射Cu箔微观结构及性能的影响*[J]. 真空, 2023, 60(3): 1-4. |
[11] | 张汉焱, 郑丹旭, 沈奕, 陈玉云. 中频磁控反应溅射氧化硅(SiOx)薄膜绝缘性的研究*[J]. 真空, 2023, 60(2): 34-38. |
[12] | 张健, 齐振华, 李建浩, 牛夏斌, 徐全国, 宗世强. 磁控溅射法制备ITO膜层及其光电性能研究[J]. 真空, 2022, 59(6): 45-50. |
[13] | 赵琦, 满玉岩, 李苏雅, 李松原, 李琳. 面向干式电抗器的氟碳纳米结构薄膜性能调控方法研究*[J]. 真空, 2022, 59(6): 51-55. |
[14] | 辛先峰, 刘林根, 林国强, 董闯, 丁万昱, 张爽, 王棋震, 李军, 万鹏. Zr55Cu30Al10Ni5非晶薄膜的制备与性能研究*[J]. 真空, 2022, 59(5): 1-6. |
[15] | 张健, 李建浩, 齐振华. 探究直流磁控溅射下工艺参数对SiC薄膜性能的影响规律[J]. 真空, 2022, 59(4): 52-55. |
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