Ti-Al-Si-N涂層界面微結(jié)構(gòu)研究

　　采用多元等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積裝置制備Ti-Al-Si-N涂層，借助X射線衍射儀、X射線光電子能譜、透射電子顯微鏡、納米探針和原子力顯微鏡等系統(tǒng)研究涂層界面微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：Ti-Al-Si-N涂層具有Si3N4界面相包裹TiAlN納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，Si元素?fù)诫s誘發(fā)涂層發(fā)生明顯晶粒細(xì)化效應(yīng)。隨涂層Si含量增加，TiAlN晶粒尺寸顯著降低，界面Si3N4層厚度增加。當(dāng)Si3N4界面層厚度小于1nm并與TiAlN晶粒共格外延生長(zhǎng)時(shí)，Ti-Al-Si-N涂層表現(xiàn)超高硬度約40GPa，當(dāng)Si3N4界面相厚度增至2nm并呈非晶態(tài)存在時(shí)，涂層硬度降至約29GPa。

　　近些年來(lái)，TiN涂層被廣泛應(yīng)用于提高裝備零部件表面抗磨損能力，但其熱穩(wěn)定性與高溫抗氧化性能較差，當(dāng)服役溫度超過(guò)550℃時(shí)，涂層耐磨壽命顯著降低。研究表明，Al和Si元素?fù)诫s可顯著提高TiN涂層高溫抗氧化性能與熱穩(wěn)定性，TiAlN或TiAlSiN復(fù)合涂層由于具有超高硬度、良好熱穩(wěn)定性和高溫抗磨損能力，已經(jīng)引起了工業(yè)界廣泛關(guān)注。研究者借助理論計(jì)算與數(shù)值模擬系統(tǒng)研究Si含量對(duì)TiSiN涂層微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨涂層中Si元素含量增加，涂層晶粒尺寸顯著降低。此外，對(duì)于TiSiN 涂層超硬機(jī)制，目前比較合理解釋是基于Veprek提出“非晶包裹納米晶”理論模型，即當(dāng)nc-TiN被很薄一層a-Si3N4層包裹時(shí)，強(qiáng)界面能有效阻止晶界滑移和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，涂層獲得超高硬度。顯然，涂層界面Si3N4非晶相尺度與結(jié)構(gòu)對(duì)涂層力學(xué)性能具有重要影響。然而，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為目前涂層界面微結(jié)構(gòu)研究多基于晶粒尺寸與相含量的理論計(jì)算與分子動(dòng)力學(xué)模擬，尚缺乏直接觀察證據(jù)。

　　本研究組采用多元等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積(MPIIID)裝置成功制備Ti-Al-Si-N涂層，發(fā)現(xiàn)涂層具有良好熱穩(wěn)定性與抗氧化性能，本研究將進(jìn)一步研究不同Si含量Ti-Al-Si-N涂層的界面微觀組織結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)性能，闡述涂層微結(jié)構(gòu)演化機(jī)制與超硬效應(yīng)之間的相關(guān)性。

　　1、實(shí)驗(yàn)

　　本研究采用MPIIID裝置制備Ti-Al-Si-N涂層，該裝置安裝4塊陰極，每塊陰極由單獨(dú)放電電源和觸發(fā)電源控制，放電電流可通過(guò)控制電源脈寬單獨(dú)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)涂層成分配比大范圍調(diào)控。試驗(yàn)基材采用W18Cr4V 鋼和硅片，用金相砂紙對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械研磨并拋光至鏡面，分別用丙酮和分析醇超聲清洗10min。靶材用鈦(99.9%)和硅鋁(70：30(質(zhì)量比))，高純N2為反應(yīng)氣氛。

　　涂層制備參數(shù)如下：N2流量50mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，氣壓0.3Pa，偏壓20kV，脈沖頻率50Hz，高壓脈寬60μs，涂層中Si含量通過(guò)調(diào)整不同金屬陰極脈寬實(shí)現(xiàn)。采用X射線能譜儀(EDX)分析涂層成分，采用X射線衍射儀(XRD，Philips-X’pert)分析涂層物相組成，采用X射線光電子能譜(XPS，Thermo，K-Alpha)分析涂層元素結(jié)合價(jià)態(tài)，為避免表面氧化物干擾，濺射60s后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用透射電子顯微鏡(TEM，F(xiàn)EI-Tecnai-30)分析涂層微觀組織結(jié)構(gòu)與界面特征，將涂層沉積在20μm 鋁箔上，采用堿溶液將鋁箔溶掉，用微柵銅網(wǎng)將涂層撈起用于TEM 觀察。采用納米探針(Nano　Indenter G200，MTSCorp.USA)測(cè)試涂層力學(xué)性能，并借助原子力顯微鏡(AFM)原位觀察涂層壓痕形貌。

　　3、結(jié)論

　　本文系統(tǒng)研究了不同Si含量Ti-Al-Si-N涂層的界面微結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性，主要結(jié)論包括：

　　(1)Ti-Al-Si-N涂層具有典型TiAlN納米晶和Si3N4界面相復(fù)合結(jié)構(gòu)，Si摻雜誘發(fā)涂層微結(jié)構(gòu)演變，隨涂層中Si含量增加，TiAlN晶粒尺寸降低，相鄰晶粒界面間距增大。

　　(2)當(dāng)Si含量較低時(shí)，Si3N4界面相厚度小于1nm并傾向以晶態(tài)存在;當(dāng)Si含量較高時(shí)，Si3N4界面相厚度達(dá)2nm并呈非晶態(tài)形式存在。

　　(3)Ti-Al-Si-N涂層微界面微結(jié)構(gòu)特征決定其力學(xué)性能，當(dāng)Si3N4界面相厚度小于1nm且以晶態(tài)存在時(shí)，Ti-Al-Si-N 涂層表現(xiàn)出超高硬度約40GPa，當(dāng)Si3N4界面相厚度增至2nm 并以非晶態(tài)存在時(shí)，界面強(qiáng)化作用弱化，導(dǎo)致涂層硬度降低至29GPa。