孔德军等：ATCN涂层结合界面组织特征与结合性能 1627* 10.90,Cr7.79,W10.87,C50.05,Co3.37,N微量，数 合界面处向基体扩散，形成梯度扩散层，如图4(b)所 据未测出.AITiCrN涂层中Al和Cr含量比较高（图3 示.涂层中下元素的含量较低，在结合界面处有明显 (c)和(e),分布比较均匀.Ti的含量从基体到表面 的扩散现象，在基体中形成富集，这是由于基体主要成 呈现减少趋势（图3(d)),在涂层中含量远低于基体 分是TiC的缘故，如图4(c)所示.Cr和N元素分布规 中含量.涂层中N含量比较高（图3(）)，是由于在制 律一致，如图4(d)和(e)所示，在涂层中形成一定的富 备过程中N,作为反应气体与金属靶蒸发离子生成氮 集层，并向基体中产生了一定的扩散.上述分析表明， 化物沉积在基体上.T、W和Co在基体中表现为较高 Al、Ti,Cr、N等原子在界面处向基体扩散，形成界面区 原子浓度，如图3(d)、(g)和(h)所示，这是由于YT14 域扩散型，结合图3(a)分析结果可知，涂层结合界面 硬质合金是由TiC和WC粉末以Co作为黏结剂烧结 为机械+扩散形式.Ti、W和Co主要分布于基体中， 而成的缘故.在结合界面处涂层中C原子浓度高于基 如图4(c)、(0和(g)所示，C原子在界面处形成了一 体，如图3()所示，涂层出现的C原子为基体中C原 定的扩散层，如图4(h)所示，这些元素主要来源于基 子扩散所致.因此，涂层和基体中化学原子含量呈梯 体材料 度变化，涂层获得适当的硬度/韧性比，可以有效地抑 2.5划痕形貌与结合强度 制裂纹的产生和扩展，改善涂层的承载能力、抗摩擦和 AITiCrN涂层划痕为犁沟形貌，随着载荷的增加， 磨损性能。 犁沟在划痕方向变得越来越宽，如图5(a)所示.加载 2.4界面面扫描分析 力为59.2N,声发射强度突变增强，划痕过程经历弹性 对图3(a)中AlTiCrN涂层界面进行面扫描分析， 变形（图5(b)、塑性变形（图5(c))和涂层剥离5 化学元素的质量分数(%)：l11.10,Ti14.61,Cr ())三个阶段，在扫描电镜下可以看到划痕两侧的涂 12.52,W55.83,C0.25,Co5.69,N微量，数据未测出. 层发生剥落，但未观察到裂纹，因此AlTiCrN涂层表面 原子数分数(%)：129.85，Ti22.13,Cr17.47,W 的划痕属于剥落型.在临界载荷为59.2N时，没有出 22.03,C1.51,C07.01,N微量，数据未测出，如图4 现微裂纹，表明涂层虽然产生失效的现象，但涂层表面 (a)所示.Al原子在涂层中形成富集现象，同时，在结 并没有完全破裂，韧性较好.可以确定此时涂层结合 20000 ⊙ I6000 12000 A 8000 4000 10m 456 8910 能量keV 10 gm 10 um 104m 104m 10m 图4界面面扫描分析结果.(a)面扫描结果：(b)A:(c)Ti:(d)Cr:(c);(DW:(g)Co:(h)C Fig.4 Plane scan analysis results of the interface:(a)results of plane scan:(b)Al:(c)Ti:(d)Cr:(e):(f)W:(g)Co:(h)C孔德军等: AlTiCrN 涂层结合界面组织特征与结合性能 10. 90，Cr 7. 79，W 10. 87，C 50. 05，Co 3. 37，N 微量，数 据未测出． AlTiCrN 涂层中 Al 和 Cr 含量比较高( 图 3 ( c) 和( e) ) ，分布比较均匀． Ti 的含量从基体到表面 呈现减少趋势( 图 3( d) ) ，在涂层中含量远低于基体 中含量． 涂层中 N 含量比较高( 图 3( f) ) ，是由于在制 备过程中 N2作为反应气体与金属靶蒸发离子生成氮 化物沉积在基体上． Ti、W 和 Co 在基体中表现为较高 原子浓度，如图 3( d) 、( g) 和( h) 所示，这是由于 YT14 硬质合金是由 TiC 和 WC 粉末以 Co 作为黏结剂烧结 而成的缘故． 在结合界面处涂层中 C 原子浓度高于基 体，如图 3( i) 所示，涂层出现的 C 原子为基体中 C 原 图 4 界面面扫描分析结果． ( a) 面扫描结果; ( b) Al; ( c) Ti; ( d) Cr; ( e) ; ( f) W; ( g) Co; ( h) C Fig． 4 Plane scan analysis results of the interface: ( a) results of plane scan; ( b) Al; ( c) Ti; ( d) Cr; ( e) ; ( f) W; ( g) Co; ( h) C 子扩散所致． 因此，涂层和基体中化学原子含量呈梯 度变化，涂层获得适当的硬度/韧性比，可以有效地抑 制裂纹的产生和扩展，改善涂层的承载能力、抗摩擦和 磨损性能． 2. 4 界面面扫描分析 对图 3( a) 中 AlTiCrN 涂层界面进行面扫描分析， 化学 元 素 的 质 量 分 数 ( % ) : Al 11. 10，Ti 14. 61，Cr 12. 52，W 55. 83，C 0. 25，Co 5. 69，N 微量，数据未测出． 原子 数 分 数 ( % ) : Al 29. 85，Ti 22. 13，Cr 17. 47，W 22. 03，C 1. 51，Co 7. 01，N 微量，数据未测出，如图 4 ( a) 所示． Al 原子在涂层中形成富集现象，同时，在结 合界面处向基体扩散，形成梯度扩散层，如图 4( b) 所 示． 涂层中 Ti 元素的含量较低，在结合界面处有明显 的扩散现象，在基体中形成富集，这是由于基体主要成 分是 TiC 的缘故，如图 4( c) 所示． Cr 和 N 元素分布规 律一致，如图4( d) 和( e) 所示，在涂层中形成一定的富 集层，并向基体中产生了一定的扩散． 上述分析表明， Al、Ti、Cr、N 等原子在界面处向基体扩散，形成界面区 域扩散型，结合图 3( a) 分析结果可知，涂层结合界面 为机械 + 扩散形式． Ti、W 和 Co 主要分布于基体中， 如图 4( c) 、( f) 和( g) 所示，C 原子在界面处形成了一 定的扩散层，如图 4( h) 所示，这些元素主要来源于基 体材料． 2. 5 划痕形貌与结合强度 AlTiCrN 涂层划痕为犁沟形貌，随着载荷的增加， 犁沟在划痕方向变得越来越宽，如图 5( a) 所示． 加载 力为 59. 2 N，声发射强度突变增强，划痕过程经历弹性 变形( 图 5 ( b) ) 、塑性变形( 图 5 ( c) ) 和涂层剥离 5 ( d) ) 三个阶段，在扫描电镜下可以看到划痕两侧的涂 层发生剥落，但未观察到裂纹，因此 AlTiCrN 涂层表面 的划痕属于剥落型． 在临界载荷为 59. 2 N 时，没有出 现微裂纹，表明涂层虽然产生失效的现象，但涂层表面 并没有完全破裂，韧性较好． 可以确定此时涂层结合 · 7261 ·