第12期 孔德军等：阴极弧离子镀TiAISiN涂层摩擦与磨损行为 1623· 面改性处理的一种方式周，已经在航空、机械、汽 NT1100型光学轮廓仪测试TiA1SN涂层表面粗糙 车制造等领域得到广泛的应用.TN涂层具有较高 度：磨损实验在HSR-2M往复式摩擦磨损实验仪上 硬度、耐磨损、抗高温氧化等优异性能，广泛应用 进行，摩擦方式为往复式.摩擦磨损测试条件：载 于材料表面改性中，但由于TN涂层显微硬度只有 荷为5.88kN,转速为500rmin-1,对磨件为中4mm HV1900,而且在550℃时抗氧化能力下降国，使得 Cr15淬火钢球，时间为1800s,运行长度为5mm, TN涂层的使用范围受到限制.为了提高TN涂层 旋转半径为10mm 耐磨性能，一般采取向TN涂层中添加A1原子的方 法，其表面显微硬度可以提高到V2300,进一步 2结果分析与讨论 改善了其磨损性能.近几年来关于Si引入到A1TN 2.1表面和界面形貌与能谱分析 涂层的研究已见报道，成为目前涂层制备研究的热 TiAISiN涂层外观肉眼观察为深黄铜色，表 点之一6-刀.笔者采用阴极弧离子镀法多靶反应在 面形貌如图1(a)所示.表面比较平整，无剥落现 GH4169合金表面制备TiA1SiN涂层，通过扫描电 象，存在靶材宏观粒子的蒸发引起的球状颗粒和微 镜、能谱仪对涂层表面-界面形貌、能谱进行了分 孔，这在一定程度上影响了表面粗糙度和结合强度. 析，并往复式摩擦磨损试验机上进行了涂层摩擦与 球状颗粒化学成分为：Ti89.16,N10.84(质量分 磨损实验，测试了涂层的摩擦因数，分析了其磨损 数，%)：Ti70.64,N29.36(原子数分数，%).由此 机理 可见球状颗粒主要成分为Ti元素，如图1(b)所示. 1实验方法 由于液滴飞溅时轰击能量较大，在涂层表面产生凹 试样基材为GH4169高温合金，硬度为HBS 坑，形成了图1(a)中微孔.如图1(c)所示，TiA1SiN 340450.TiA1SiN涂层在PVT公司镀膜机上采用 涂层化学元素为：N23.84,A115.30,Si4.52,Ti56.34 阴极弧离子镀法制备，基体经抛光处理后，用丙酮 (质量分数，%)：N47.20,A115.72,Si4.46,Ti32.62 和无水酒精进行超声波清洗，快速烘干后装入真空 (原子数分数，%).涂层主要是由Al、Si、Ti、N等 室.真空度为10-4Pa.反应溅射镀膜时采用Ti、Al 元素组成，金属元素和N元素的原子数比约为1： 和Si为阴极靶材，溅射功率200W,时间2h,涂 1,所得涂层基本符合化学计量比.用JMTT-1000 层厚度约为2m.用JSM-6360LA扫描电镜观察 显微硬度计测得TiA1SiN涂层显微硬度为HV3200, TA1SN涂层表面与界面形貌，并用其配制的电子 比TN涂层的显微硬度提高了HV1300,有利于提 能谱仪对涂层成分进行测试分析：用Veeco Wyko 高其耐磨性能. 50000 4500 (b) 4000 (c) 40000 3500 30000 3000 达2500 20000N 2000 ,孔洞 翻 150o/N 10000 1000+ 分 Ti 5008 0 15kV×10,000 1 pm SEM-KING 2 34567 8910 012345678910 能量/keV 能量/keV 图1TiA1SiN涂层表面的形貌与能谱.(a)涂层表面：(b)球状颗粒能谱：(c)TiAISiN涂层能谱 Fig.1 Surface morphology and EDS spectra of the TiAlSiN coating:(a)coating surface;(b)EDS spectrum of spherical particles; (c)EDS spectrum of the TiAlSiN coating 涂层结合界面形貌如图2(a)所示，厚度约为2m, 了一定的扩散层.基体中Cr、Ni、Fe等元素线扫 与基体紧密结合.涂层中N原子渗入到基体表层，以间 描如图2(c)所示，基体的元素发生了成分的相互扩 隙固溶体的形式存在，形成稳定的CN[8-),同时N 散.这表明基体的元素和涂层中元素发生了化学反 原子有沿涂层结合界面界扩散的倾向，并形成氮金 应和成分的互扩散，其结合形式为化学结合 属化合物.TiAlSiN涂层结合界面线能谱分析如图 2.2X射线衍射分析 2(b)所示，Ti、Al、Si和N元素在涂层中表现为高 图3为涂层和基体的X射线衍射分析结果.涂 含量，在基体中成分含量骤减，在结合界面处形成 层中出现(Ti,A1)N衍射峰，说明A1原子是以置换方第 12 期 孔德军等：阴极弧离子镀 TiAlSiN 涂层摩擦与磨损行为 1623 ·· 面改性处理的一种方式 [3]，已经在航空、机械、汽 车制造等领域得到广泛的应用. TiN 涂层具有较高 硬度、耐磨损、抗高温氧化等优异性能，广泛应用 于材料表面改性中，但由于 TiN 涂层显微硬度只有 HV 1900，而且在 550 ℃时抗氧化能力下降 [4]，使得 TiN 涂层的使用范围受到限制. 为了提高 TiN 涂层 耐磨性能，一般采取向 TiN 涂层中添加Al原子的方 法[5]，其表面显微硬度可以提高到 HV 2300，进一步 改善了其磨损性能. 近几年来关于 Si 引入到 AlTiN 涂层的研究已见报道，成为目前涂层制备研究的热 点之一 [6−7] . 笔者采用阴极弧离子镀法多靶反应在 GH4169 合金表面制备 TiAlSiN 涂层，通过扫描电 镜、能谱仪对涂层表面 – 界面形貌、能谱进行了分 析，并往复式摩擦磨损试验机上进行了涂层摩擦与 磨损实验，测试了涂层的摩擦因数，分析了其磨损 机理. 1 实验方法 试样基材为 GH4169 高温合金，硬度为 HBS 340∼450. TiAlSiN 涂层在 PVT 公司镀膜机上采用 阴极弧离子镀法制备，基体经抛光处理后，用丙酮 和无水酒精进行超声波清洗，快速烘干后装入真空 室. 真空度为 10−4 Pa. 反应溅射镀膜时采用 Ti、Al 和 Si 为阴极靶材，溅射功率 200 W，时间 2 h，涂 层厚度约为 2 µm. 用 JSM-6360LA 扫描电镜观察 TiAlSiN 涂层表面与界面形貌，并用其配制的电子 能谱仪对涂层成分进行测试分析；用 Veeco Wyko NT1100 型光学轮廓仪测试 TiAlSiN 涂层表面粗糙 度；磨损实验在 HSR-2M 往复式摩擦磨损实验仪上 进行，摩擦方式为往复式. 摩擦磨损测试条件：载 荷为5.88 kN，转速为500 r·min−1，对磨件为 φ4 mm Cr15 淬火钢球，时间为 1800 s，运行长度为 5 mm， 旋转半径为 10 mm. 2 结果分析与讨论 2.1 表面和界面形貌与能谱分析 TiAlSiN 涂层外观肉眼观察为深黄铜色， 表 面形貌如图 1(a) 所示. 表面比较平整，无剥落现 象，存在靶材宏观粒子的蒸发引起的球状颗粒和微 孔，这在一定程度上影响了表面粗糙度和结合强度. 球状颗粒化学成分为：Ti 89.16，N 10.84 (质量分 数，%)；Ti 70.64，N 29.36 (原子数分数，%). 由此 可见球状颗粒主要成分为 Ti 元素，如图 1(b) 所示. 由于液滴飞溅时轰击能量较大，在涂层表面产生凹 坑，形成了图 1(a) 中微孔. 如图 1(c) 所示，TiAlSiN 涂层化学元素为：N 23.84，Al 15.30，Si 4.52，Ti 56.34 (质量分数，%)；N 47.20，Al 15.72，Si 4.46，Ti 32.62 (原子数分数，%). 涂层主要是由 Al、Si、Ti、N 等 元素组成，金属元素和 N 元素的原子数比约为 1︰ 1，所得涂层基本符合化学计量比. 用 JMTT-1000 显微硬度计测得TiAlSiN 涂层显微硬度为 HV 3200， 比 TiN 涂层的显微硬度提高了 HV 1300，有利于提 高其耐磨性能. 图 1 TiAlSiN 涂层表面的形貌与能谱. (a) 涂层表面; (b) 球状颗粒能谱; (c) TiAlSiN 涂层能谱 Fig.1 Surface morphology and EDS spectra of the TiAlSiN coating: (a) coating surface; (b) EDS spectrum of spherical particles; (c) EDS spectrum of the TiAlSiN coating 涂层结合界面形貌如图 2(a)所示，厚度约为2 µm， 与基体紧密结合. 涂层中N 原子渗入到基体表层，以间 隙固溶体的形式存在，形成稳定的 CrN [8−9]，同时 N 原子有沿涂层结合界面界扩散的倾向，并形成氮金 属化合物. TiAlSiN 涂层结合界面线能谱分析如图 2(b) 所示，Ti、Al、Si 和 N 元素在涂层中表现为高 含量，在基体中成分含量骤减，在结合界面处形成 了一定的扩散层. 基体中 Cr、Ni、Fe 等元素线扫 描如图 2(c) 所示，基体的元素发生了成分的相互扩 散. 这表明基体的元素和涂层中元素发生了化学反 应和成分的互扩散，其结合形式为化学结合. 2.2 X 射线衍射分析 图 3 为涂层和基体的 X 射线衍射分析结果. 涂 层中出现 (Ti,Al)N 衍射峰，说明 Al 原子是以置换方