【摘 要】
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Ti-Al-C-N涂层成分范围广、相结构丰富,为制备性能更优的新三代氮化物硬质涂层提供了良好平台。但四元相图上可获数据有限,Ti-Al-C-N成分与相结构间的关系不明确,有待系统工作的展开,优化得到综合性能最佳的四元涂层。磁控溅射技术是沉积高质量硬质涂层的佳选。鉴于此,本研究通过射频磁控溅射和热丝等离子体增强磁控溅射新技术制备Ti-Al-C-N涂层,研究成分和制备工艺对Ti-Al-C-N相结构、组
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Ti-Al-C-N涂层成分范围广、相结构丰富,为制备性能更优的新三代氮化物硬质涂层提供了良好平台。但四元相图上可获数据有限,Ti-Al-C-N成分与相结构间的关系不明确,有待系统工作的展开,优化得到综合性能最佳的四元涂层。磁控溅射技术是沉积高质量硬质涂层的佳选。鉴于此,本研究通过射频磁控溅射和热丝等离子体增强磁控溅射新技术制备Ti-Al-C-N涂层,研究成分和制备工艺对Ti-Al-C-N相结构、组织及性能的影响,最终优化出综合性能良好的超硬Ti-Al-C-N涂层,其硬度达4636 HV10g,是目前所见报道中Ti-Al-C-N的最高值,且涂层表现出极佳的耐磨性。这对推动硬质涂层的更新换代、提高工具使用效率具有重要意义。本文主要研究内容及主要结论如下:1)采用射频磁控溅射技术制备了系列Ti-Al-C-N涂层,通过调节C靶角度和N流量得到不同C、N含量的Ti-Al-C-N涂层。试验结果表明随C含量的升高,涂层相结构由单一fcc-TiN相向fcc-TiN+α-C转变。TiN相的择优生长方向从（111）向（220）转变,TiN相的晶格参数随C含量的增加先增加后减小,而晶粒尺寸变化不大。当N含量增加时,低C涂层相结构由fcc-Ti C相向fcc-TiN转变,高C含量涂层相结构由fcc-Ti C+α-C转变为fcc-TiN+α-C相。当C含量为26 at.%、N含量为26 at%时,Ti-Al-C-N涂层硬度达到最高值4310 HV10g。但平均磨损率较高,为4.1×10-5μm~3/mm N。2)在射频磁控溅射基础上,采用热丝等离子体增强工艺制备Ti-Al-C-N涂层,研究工艺参数对Ti-Al-C-N涂层的影响。结果表明:随着放电电流增加,硬度显著增加;随基底偏压的增加,TiN晶体择优取向发生变化,涂层硬度增大;随沉积时间的延长,涂层厚度增加,硬度逐渐提高。3)在优化出的沉积工艺参数基础上,采用热丝等离子体增强射频磁控溅射制备Ti-Al-C-N系列涂层,研究C含量和N含量对涂层结构和性能的影响。结果表明,随着C含量的升高,涂层相结构由单一的fcc-TiN相向fcc-TiN+α-C转变。TiN相的择优生长方向从（（16）（16）（16））向（（17）（17）（15））转变,TiN相的晶格参数随C含量的增加先增加后减小,而晶粒尺寸则呈不断增大的趋势。当N含量增加时,低C含量涂层相结构由fcc-Ti C相向fcc-TiN转变,高C含量涂层相结构由fcc-Ti C+α-C转变为fcc-TiN+α-C相。当C含量为17at.%、N含量为38 at.%时,Ti-Al-C-N涂层硬度达到最高值4636 HV10g,且平均磨损率较低,为0.6×10-5μm~3/mm N。
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