刀具涂层可提高材料的加工效率和精度，并延长刀具的使用寿命，在干式切削、高速切削和数控加工等机械制造领域得到了广泛应用。TiAlN涂层具有耐磨性高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小和导热率低等优点，可大幅度提高硬质合金刀具的使用性能，满足涂层刀具的高性能要求。

    本文通过试验调整工艺参数来制备TiAlN涂层并研究其对涂层微观结构的影响。在磁控溅射离子镀的基础上采取脉冲偏压电源及非平衡磁场来增加离化率，即采用中频非平衡磁控溅射法在硬质合金基体表面制备TiAlN涂层。应用正交分析法，研究偏压、N2流量、Ti/Al和沉积时间等工艺参数对涂层微观组织结构的影响，包括表面形貌、原子组分、相结构以及择优取向。

    1   试验方法

    以钨钴类硬质合金作为基体材料，并采用以下方法进行基体材料处理：首先用超声波清洗10min；然后经蒸馏水冲洗后吹干再充分烘干；最后放置在真空沉积室。

    试验设备为改进后的CH850型离子镀膜机，所用靶材为Ti/Al合金靶。先预热扩散泵60min，抽低真空后通入N2与Ar，然后开高压阀抽真空至所需的2-3Pa；预热灯丝60min，离化源加热60min，随即开启偏压电源清洗基体，开靶电源，并按照表1中的工艺参数镀膜。

    表1 试验方案

    采用DX-1000型X射线衍射仪对样品进行物相检测，采用荷兰FEI公司InspectF型场发射扫描电子显微镜进行表面和断口形貌分析，Oxford INCA Petafetx3的X射线能谱分析仪分析元素含量。

    2   试验结果与分析

    （1） TiAlN涂层的表面形貌分析

    如图1所示，在SEM放大500倍下，1号样品表面凸凹不平，晶粒尺寸大小不均匀；2号和3号样品表面慢慢趋于光滑；4号样品的表面最平整和光滑，组织均匀且结构致密。这是因为在一定的水平内，偏压增加，Ar离子对靶材的轰击作用增强。溅射出的靶材原子能量升高，在到达基体表面时仍有足够的能量在基体表面进行扩散和迁移，使涂层表面更平整。与此同时，结合力弱的粒子被轰击下来，减少了凸凹不平的几率。此外，高能量的靶材原子溅射到基体时，能间接地加快基体原子的扩散和迁移，使晶粒细化、涂层更均匀和致密。

    图1 样品表面形貌图

    （2） TiAlN涂层断口形貌分析

    机械打碎四组样品，在扫描电镜下观察其断口形貌（见图2）。1号样品厚度2μm，断口形貌不平整；2号样品厚度1.08μm，3号2.16μm，4号3.76μm。分析结果可知，随着膜层厚度增加，基体与膜层间的分界面变清晰，膜层结构趋向致密。这是因为在沉积过程中原子之间互相扩散而形成混合层。膜层越薄，互扩散层越明显，分界面就越模糊。此外，晶粒的择优取向生长也会导致涂层表面整体呈现高低不平的状态，基体温度升高，原子间的互扩散更充分均匀，涂层与基体的结合更紧密。

    图2 样品断口形貌

    随着膜层铝原子含量增加，可填补表面的空隙和缺陷，有利于晶粒的细化和生长，并改善膜层致密性和促使断面形貌平整。

    （3） TiAlN涂层能谱及XRD分析

    如图3和表2所示，通过EDS能谱分析样品的元素含量。表3中，Al/Ti按升序排列，1、3、4、2号样品中Al/Ti分别为0.94、1.00、2.17、2.42。在其它参数不变时，4号和2号样品的铝元素含量呈较大的下降趋势，而钛元素含量则相反。当偏压为25V时，2号样品的比值为2.42；当偏压增至30V时，下降至2.17。原因是铝的离化率为50%，钛为80%。此外，随着偏压的增大，带负电的基体能吸收更多钛离子。并且，当镀膜室气压一定时，Ar流量的变化会使工作室内Ar分压发生变化，加上Ti原子与Al原子的溅射产额不同和的刻蚀效果，共同导致Al/Ti变化。另外，随着N2流量的增加，Ti/Al合金靶会中毒，尤其是Al元素中毒更严重，这也会导致涂层原子比降低。

    （a） 1号

    （b） 2号

    （c） 3号

    （d） 4号

    （4） TiAlN涂层的物相结构分析

    图4-图7为4种样品的XRD衍射谱。由图可知，1、2、4号样品出现了WC基体相，3号样品出现了WN相，原因是3号的N2流量最大且N原子更易与金属反应。此外，基体峰的宽度较大，证明TiAlN和TiN的组织晶粒相比基体更细小。四组样品中均有TiN相，这是因为Al成焓较小，TiAlN由Al原子置换TiN中的Ti形成。原子的半径不同，生成晶格畸变，使晶格常数减小。

    表2 样品的组分表

    表3 四组样品各元素的原子百分比

    择优取向分析如表4所示。分析表明，除1号样品外，其余涂层中TiAlN相（111）晶面比（200）晶面优先生长。这是因为TiAlN是面心立方结构，1号优先。

    表4 样品的择优取向

    图4 1号样品XRD衍射谱图

    图5 2号样品XRD衍射谱图

    图6 3号样品XRD衍射谱图

    图7 4号样品XRD衍射谱图

    （200）生长的原因可能是N2流量较低、氩离子的轰击作用较强，使原子有足够的能量沿（200）生长。I（111）/I（200）的变化规律表明，在镀膜室内气压一定时，随着N2流量的增加和氩气浓度的降低，轰击作用会减弱。沉积离子的能量增大，离子活性增强，涂层中的应变能量起主导作用。由于（111）为体心立方密排面，所需能量最低，原子优先沿此晶面生长，以此来降低体系的能量。

    小结

    （1）在一定水平内，偏压增大，离子溅射能力增强。基体与涂层的分界面越明显，涂层表面形貌越平整，结构越致密。

    （2）EDS能谱发现，偏压升高，铝原子和钛原子离化率和N2流量的不同导致Al/Ti原子百分比呈下降趋势。

    （3）XRD物相分析发现，有TiAlN系和TiN的相结构存在，且TiAlN相的衍射峰比基体宽。TiAlN和TiN 峰形相似，涂层优先沿（111）晶面生长，N2流量和Ti/Al影响I（111）/I（200）的比值。

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责任编辑：王元

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