欢迎访问沈阳真空杂志社 Email Alert    RSS服务

真空 ›› 2024, Vol. 61 ›› Issue (4): 22-29.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2024.04.05

• 薄膜 • 上一篇    下一篇

磁控溅射镀膜技术在(Cr,Ti,Al)N涂层上的应用*

赵凡, 项燕雄, 邹长伟, 于云江, 梁枫   

  1. 岭南师范学院 物理科学与技术学院,广东 湛江 524048
  • 收稿日期:2022-12-20 出版日期:2024-07-25 发布日期:2024-07-29
  • 通讯作者: 项燕雄,博士。
  • 作者简介:赵凡(1992-),男,天津市人,博士。
  • 基金资助:
    * 广东省高校创新团队基金项目(2020KCXTD032); 广东省自然科学基金项目(2021A1515011928,2022A1 515011137)

Application of Magnetron Sputtering Deposition Technology for (Cr,Ti,Al)N Coatings

ZHAO Fan, XIANG Yan-xiong, ZOU Chang-wei, YU Yun-jiang, LIANG Feng   

  1. School of Physics Science and Technology, Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048, China
  • Received:2022-12-20 Online:2024-07-25 Published:2024-07-29

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。

关键词: (Cr, Ti, Al)N涂层, 磁控溅射, 靶材选择, 工艺参数, 梯度涂层

Abstract: Transition metal nitride hard coatings are widely used for cutting tools, precision molds and mechanical parts. With the development of cutting technology and the increase of difficult-to-process materials, hard coatings have been continuously developed from traditional binary coatings to ternary coatings and quaternary coatings. The (Cr,Ti,Al)N quaternary coatings have attracted much attention because of their excellent comprehensive properties. Based on the basic principle and technical characteristics of magnetron sputtering deposition, this paper introduces the common magnetron sputtering deposition technology for the preparation of (Cr,Ti,Al)N coating, analyzes the effect of using elemental target and alloy target for deposition, and studies the influence of magnetron sputtering process parameters on the mechanical properties of (Cr,Ti,Al)N coating, and finally discusses the function and preparation method of (Cr,Ti,Al)N gradient coating. This paper may provide theoretical reference and guidance for designing the preparation process and improving the properties of (Cr,Ti,Al)N coating.

Key words: (Cr, Ti, Al)N coating, magnetron sputtering, target selection, process parameter, gradient coating

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.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 李得天, 成永军, 张虎忠, 孙雯君, 王永军, 孙 健, 李 刚, 裴晓强. 碳纳米管场发射阴极制备及其应用研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 1 -9 .
[2] 周彬彬, 张 建, 何剑锋, 董长昆. 基于 CVD 直接生长法的碳纳米管场发射阴极[J]. 真空, 2018, 55(5): 10 -14 .
[3] 柴晓彤, 汪 亮, 王永庆, 刘明昆, 刘星洲, 干蜀毅. 基于 STM32F103 单片机的单泵运行参数数据采集系统[J]. 真空, 2018, 55(5): 15 -18 .
[4] 李民久, 熊 涛, 姜亚南, 贺岩斌, 陈庆川. 基于双管正激式变换器的金属表面去毛刺 20kV 高压脉冲电源[J]. 真空, 2018, 55(5): 19 -24 .
[5] 刘燕文, 孟宪展, 田 宏, 李 芬, 石文奇, 朱 虹, 谷 兵, 王小霞 . 空间行波管极高真空的获得与测量[J]. 真空, 2018, 55(5): 25 -28 .
[6] 徐法俭, 王海雷, 赵彩霞, 黄志婷. 化学气体真空 - 压缩回收系统在环境工程中应用研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 29 -33 .
[7] 谢元华, 韩 进, 张志军, 徐成海. 真空输送的现状与发展趋势探讨(五)[J]. 真空, 2018, 55(5): 34 -37 .
[8] 孙立志, 闫荣鑫, 李天野, 贾瑞金, 李 征, 孙立臣, 王 勇, 王 健, 张 强. 放样氙气在大型收集室内分布规律研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 38 -41 .
[9] 黄 思 , 王学谦 , 莫宇石 , 张展发 , 应 冰 . 液环压缩机性能相似定律的实验研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 42 -45 .
[10] 常振东, 牟仁德, 何利民, 黄光宏, 李建平. EB-PVD 制备热障涂层的反射光谱特性研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 46 -50 .