钛浆涂层和钽金属涂层（金属陶瓷多弧离子镀TiN）

小君 2023-05-17 10:50:59 106

钛浆涂层和钽金属涂层（金属陶瓷多弧离子镀TiN）图2 TiN/TiAlN涂层的三维立体形貌图图2所示为涂层表面的三维立体形貌图。由图2可知，金属陶瓷基体的涂层结晶完整，在5um×5um范围的均方根粗糙度为20.6nm。Ti(C N)基金属陶瓷的成分为39.2%TiC-10%TiN-32%Ni-11%Mo-7%WC-0.8%C(质量分数，下同)，经过球磨混料->烘干->加成型剂->压制成型->脱除成型别->真空烧结后，试样在万能工具磨床上用金刚石砂轮磨削成平面，然后用金相水砂纸磨屑、抛光。图1 Ti(C N)基金属陶瓷TiN/TLAlN涂层的SEM照片3.2 镀层的粗糙度

1、TiN硬质薄膜表层具有高耐磨性和低摩擦系数，这对于提高刀具的寿命具有非常重要的意义。但是，在500℃以上时TiN涂层就倾向于氧化分解，涂层的保护作用剧烈地减少。TiAlN薄膜具有28GPa的显微硬度，其工作温度可以达到800℃。所以，TiAlN涂层的刀具可用于高速切削、干切削，以及一些难加工材料。Knotek等在1985年首次发表了关于TiAlN涂层的研究后，其优异的抗高温氧化能力和良好的使用性能引起了人们极大的关注，已经用多种PVD方法成功制备了该膜。另外研究人员在5CrNiMo热作模具钢基体上沉积了Ti-A1-N系功能梯度薄膜。研究人员在高速钢基体上采用多弧离子镀技术制备了TiAlN薄膜。

尽管人们采用各种技术制备并研究TiAlN涂层的性能，但迄今为止，还没有关于在Ti(C N)基金属陶瓷基体上沉积TiAlN涂层的报道。因此。本文采用多弧离子镀技术在Ti(C N)基金属陶瓷基体上沉积了TiN/TiAlN涂层，并研究了基体材料对涂层的生长模式和涂层形貌、性能等的影响。

2、实验

2.1 基体和镀层材料

Ti(C N)基金属陶瓷的成分为39.2%TiC-10%TiN-32%Ni-11%Mo-7%WC-0.8%C(质量分数，下同)，经过球磨混料->烘干->加成型剂->压制成型->脱除成型别->真空烧结后，试样在万能工具磨床上用金刚石砂轮磨削成平面，然后用金相水砂纸磨屑、抛光。

图1 Ti(C N)基金属陶瓷TiN/TLAlN涂层的SEM照片

3.2 镀层的粗糙度

图2所示为涂层表面的三维立体形貌图。由图2可知，金属陶瓷基体的涂层结晶完整，在5um×5um范围的均方根粗糙度为20.6nm。

钛浆涂层和钽金属涂层（金属陶瓷多弧离子镀TiN）(1)

图2 TiN/TiAlN涂层的三维立体形貌图

3.3 镀层的相组成及结构分析

图3为TiN/TiAlN涂层的XRD图谱。由图3可知，TiN/TiAlN涂层主要由Ti，Al和N元素组成。多弧离子镀后涂层最表层的衍射峰为TiN：将TiN磨去后，中间层的衍射峰主要为TiAlN；基体金属陶瓷的衍射峰主要是Ti(C N)和Ni；在最外层和中间层中都发现有基体的衍射峰，只是峰的强度不同。从图3还可以看出，TiN相和TiAlN的(111)峰与(200)峰的强度比远远大于没有择优取向时这两个峰的强度比值0.75，即TiN和TiAlN相均存在强烈的(111)择优取向。

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图3 TiN/TiAlN涂层的XRD图谱

3.4 镀层的性能

硬度测试结果表明，金属陶瓷经多弧离子镀TiN/TiAlN涂层后，其显微硬度均达到2808HK，而未处理的金属陶瓷基体显微硬度在1650HK左右。

图4所示为金属陶瓷多弧离子镀TiN/TiAlN后的断口组织形貌。由图4可见，TiN/TiAlN组织均匀，涂层与基体之间没有剥离现象。测试结果表明，TiN/TiAlN镀层厚度约为3um。

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图4 金属陶瓷多弧离子镀后横断面的SEM照片(上部为TiN/TiAlN镀层)

图5为材料断面从基体到涂层的各主要元素的线分布。由图5可见，Al的含量从涂层内部到表面逐渐增大，呈现梯度分布特征。

3.5 镀层的结合力

涂层附着力测试结果表明，TiN/TiAlN涂层与金属陶瓷之间的临界载荷为57.52N。图6为TiN/TiAlN涂层划痕的SEM照片。由图6可以看出，金属陶瓷基体上的TiN/TiAlN涂层剥落过程比较复杂，载荷增加到57.52N时，出现了膜基界面开裂现象，但是随后膜基开裂并不连续，而是经过一定距离后再次出现膜基开裂现象，两次开裂之间的划痕沟也比较平直，并且涂层的破裂面具有解理台阶。

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