多弧离子镀TiAlN涂层的研究进展

曹娅

摘 要：文章概述了多弧離子镀TiAlN涂层的研究现状及发展趋势，详细分析了Al元素含量和弧电流、N2流量、基体偏压、温度等工艺参数对TiAlN涂层的结构、硬度、结合力、耐磨性等性能的影响。目前，多弧离子镀TiAlN涂层存在液滴数量多，为了进一步促进多弧离子镀TiAlN涂层的应用，需进一步优化工艺，发展纳米TiAlN涂层。

关键词：多弧；离子镀；TiAlN涂层；研究

多弧离子镀属于离子镀的一种改进方法，最早是由苏联人开发，上世纪80 年代初， 美国的Multi- Arc 公司和Vac- Tec 公司首先把这种技术实用化[1]。其基本原理[2]是在真空腔内，基底与蒸发源施加一电场，当腔体压力适当时，蒸发源与基底之间会产生辉光放电或弧光放电，在和电子碰撞过程中，会形成气体离子和靶材（薄膜材料）的离子，这些离子在电场中被加速飞向基底，于是在离子轰击影响下发生凝结而形成薄膜。多弧离子镀TiAlN涂层是在TiN涂层的基础上发展起来的一种新型三元复合涂层，TiAlN涂层具有更高的硬度、抗高温氧化性、热疲劳性能、耐磨性等特点，目前在模具制造、航空发动机和生物医学等方面已有应用[3-5]。因此，多弧离子镀TiAlN涂层近年来受到广泛地关注。

1 TiAlN涂层的性能

1.1 Al元素对涂层结构的影响

1.3 Al元素对涂层结合力的影响

1.4 Al元素对耐磨性的影响

Al元素对TiAlN 涂层耐磨性的作用具有双重性[16]，研究表明，摩擦系数随着Al含量的增加而减小，耐磨性能提高。

1.5 靶材的选择

Al元素的引入可改善涂层结构，提高硬度、结合力和耐磨性，为了在冲压模具上获取更优质性能的涂层，首先应考虑基材与TiAlN涂层的关系，其次最重要的是靶材的选择和工艺参数的优化。张德元[17]研究表明分离靶（Ti靶、Al靶）不利于整炉产品涂层的均匀性，因此，一般来说选择TiAl合金靶作为靶材。

2 多弧离子镀工艺参数对TiAlN涂层的影响

2.1 弧电流对TiAlN涂层的影响

试验研究发现，弧电流与涂层厚度呈正比关系，同时硬度也随着弧电流的增加而增加。但是对于一定的靶材，增加弧电流，意味着靶材整体温度的升高，相应的液滴的产生会随之增多，而且液滴的尺寸也会增大，在沉积的过程中会形成大颗粒，大大降低涂层的各种性能。

图3 不同弧流条件下TiAlN膜层的表面形貌

从图3可以看出，当电流从60 A增大到100 A时，薄膜表面的颗粒尺寸越大，数量也越多，涂层表面的大颗粒缺陷也就越严重，因此，在不影响涂层厚度的情况下，尽量采用低电流。

2.2 N2流量对TiAlN涂层的影响

3 结束语

3.1 多弧离子镀TiAlN涂层由于Al元素的引入可改善涂层结构，提高硬度、结合力和耐磨性。

3.2 选择TiAl合金靶作为阴极靶材，有望获得更加均匀的涂层。

3.3 弧电流为60A，基体偏压为-800V时，TiAlN涂层表面液滴密度和直径较小。

3.4 N2流量为200sccm时，TiAlN涂层硬度高达3300HV。

3.5 为了进一步研究多弧离子镀TiAlN涂层的性能及应用，还需进一步优化工艺参数，获得纳米涂层。

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