CrAlSiN纳米复合涂层的制备与组织结构表征＊

王志超，王政权，孙帅，王菁，范其香



CrAlSiN纳米复合涂层的制备与组织结构表征＊

王志超，王政权，孙帅，王菁，范其香

（天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222）

采用Cr靶、Si靶和Al靶作为靶材，利用高功率脉冲磁控溅射系统在304不锈钢和单晶硅片（100）基片表面沉积CrAlSiN纳米复合涂层，并测定其显微组织结构和力学性能。结果表明，该纳米涂层的主要相结构为单一的fcc-（Cr，Al）相，结构致密，与基体的结合力可达25 N。

高功率脉冲磁控溅射技术；纳米复合CrAlSiN涂层；相结构；力学性能

随着现代工业的发展，难加工材料种类越来越多，涂层刀具因其有高硬度、高耐磨性，优异的耐腐蚀性能和抗高温氧化性而得到越来越广泛的应用。据统计，目前80%的刀具上都采用涂层技术。涂层的发展初期，刀具涂层大多为以TiC、TiN、CrN 等为典型代表的二元涂层[1]。但其断裂韧性低，且抗高温氧化性能较差，导致其无法满足一些先进加工技术要求。

为了进一步改善刀具的各项性能，研究者尝试在涂层中添加Al、Si、Zr等有益元素[2]。这些元素可以通过固溶强化或细化晶粒机制，达到提高涂层硬度和耐磨性的效果[3]。本文采用高功率脉冲磁控溅射技术，通过在CrN涂层中掺杂Al和Si元素，优化工艺条件，制备出一种具有高硬度和高耐磨性的纳米复合CrAlSiN涂层。

1 试验部分

1.1 仪器设备与实验材料

仪器设备有V-TECH HIPIMS 610/610型高功率脉冲磁控溅射系统、扫描电镜 SEM（SEM，ZIESS）、能谱仪（EDS， Oxford）、XRD 衍射仪（XRD，X’Pert PRD，PANalytical，Holland）、纳米压痕技术（MTH，CSM，Anton Paar）、销盘式摩擦试验机（THT，CSM，Anton Paar）。实验材料有镜面抛光的304不锈钢和单晶硅片（100)基片。靶材采用Cr靶、Al靶和Si靶，工作气体为高纯N2和Ar。

1.2 试验步骤

1.2.1 Al-Cr-Si-N涂层的制备

选用镜面抛光的304不锈钢和单晶硅片（100）作为基片，先在脱脂剂和乙醇溶液中分别超声清洗20 min，用高纯氮气吹干，用压片固定于钢板上正对靶材悬挂于真空室内转架上，靶基距为70 mm。

将真空室抽真空至真空度高于1.0×10-3Pa时，通入Ar使工作气压保持在1.0 Pa，施加﹣800 V偏压，辉光清洗基片10 min。将工作气压调至0.5 Pa，开启（功率脉冲磁控溅射）HIPIMS电源，利用离子轰击清洗基片5 min，去除表面污物。降低偏压至﹣30 V，沉积Cr过渡层30 min。随后，通入反应气体N2，同时开启Si靶和Al靶，沉积CrAlSiN纳米复合涂层。通过交叉实验，获得优化后的沉积工艺参数如表1所示。

表1 CrAlSiN纳米复合涂层优化后的沉积工艺参数

沉积参数数值 本底真空/Pa1.0×10-4 工作压强/Pa0.5 偏压/V﹣30 Ar流量/sccm47 N2流量/sccm94 沉积温度/℃300 沉积时间/min180 Al靶溅射功率/kW0.8 Cr靶溅射功率/kW1.0 Si靶溅射功率/kW0.6 样品转速/（r/min）30 基底与靶之间的距离/mm70

1.2.2 组织结构表征和力学性能测试

采用SEM观察涂层截面和表面形貌并测量涂层截面厚度；采用Χ射线衍射仪（XRD）和 EDS 分析涂层相组成和成分；采用纳米压痕仪动态连续加载卸载模式测试涂层的纳米硬度及弹性模量，为了消除体对测量结果的影响，压痕深度不超过涂层厚度的1/10，每个样品测量5个点取平均值；采用划痕仪测量涂层与不锈钢基体的结合强度，金刚石划头的针尖半径为200 μm，法向载荷以1 N/s的速率由0逐渐增加到100 N，划痕长度为5 mm，测试速度为0.5 mm/s。

2 实验结果分析

2.1 CrAlSiN纳米复合涂层相组成

采用XRD衍射仪，测试了CrAlSiN纳米复合涂层的相结构，结果表明，涂层的主要相结构为单一的fcc-（Cr，Al）相，未发现hcp-AlN相和Si的复合相。由此可知，Al固溶于CrN相中，起固溶强化作用。而Si以非晶相的形式存在于涂层中。

2.2 显微结构及其成分

采用SEM观察了CrAlSiN纳米复合涂层的表面形貌和截面形貌，如图1所示。从图1（a）中可以看出，涂层晶粒细小，表面光滑致密，没有看到明显缺陷。这是因为磁控溅射技术沉积涂层具有表面光滑致密的优点。从截面形貌图，即图1中的（b）可看出，涂层组织致密，呈现柱状晶结构。通过EDS分析得到CrAlSiN纳米复合的原子百分比成分为39.42%的N，34.89%的Cr，13.25%的Al，12.44%的Si。

图1 300 ℃温度下沉积的CrAlSiN纳米复合涂层的表面和截面形貌

2.3 CrAlSiN纳米复合涂层的力学性能

采用纳米压痕测得CrAlSiN纳米复合涂层的硬度和弹性模量分别为25.5 GPa和408 GPa。涂层的硬度高于CrN的本征硬度，这是由于Al固溶于CrN中，取代CrN相中Cr位置，可起到固溶强化的作用，而Si形成非晶相Si3N4，分布与（Cr，Al）N相晶界处，可起到细化晶粒的作用，达到提高硬度的作用。划痕仪测试CrAlSiN纳米复合涂层与基体的结合力约为25 N。

3 结束语

CrAlSiN纳米复合涂层作为一种新型涂层，具备很高的硬度、韧性、耐磨性能、耐热性能。本文采用高功率脉冲磁控溅射和直流脉冲磁控溅射复合技术制备了一种组织结构致密、硬度高的CrAlSiN纳米复合涂层。研究结果对其他纳米多层结构涂层的设计与制备具有指导意义。

［1］张勤俭，赵路明，刘敏之，等.刀具涂层技术的研究现状和发展趋势［J］.有色金属科学与工程，2014（05）.

［2］王铁钢，李柏松，张姣姣，等.沉积温度对高功率脉冲磁控溅射AlCrSiN涂层结构和性能的影响［J］.稀有金属材料与工程，2018（08）.

［3］毛延发，唐为国，刘金良，等.TiAlN纳米复合涂层的技术进展［J］.工具技术，2014（10）.

国家级大学生创新创业项目资助（项目编号：201710066031）

2095－6835（2019）02－0059－01

TG174.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.059

〔编辑：张思楠〕