偏压对TiBN纳米复合涂层结构及力学性能的影响

刘怡飞，李助军，李兆南，蔡海鉴，田灿鑫

（1.广州铁路职业技术学院，广东 广州 510430；2.岭南师范学院，广东 湛江 524048）

0 引言

机械加工正朝着高速度、高精度、高效率和绿色制造的方向发展。在机械加工中，切削加工是应用最广泛的加工方法之一。高速切削已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向，实现高速切削以降低工时，成为加工生产率提高的重要手段之一[1-2]。高速切削对作为切削的关键零部件刀具提出了越来越高的要求。而传统刀具无法满足高速切削对先进数控加工工艺的要求。

90年代发展起来的超硬涂层刀具，集成了强度、韧性和硬度优势，兼具良好的耐热性、抗高温氧化性及润滑性，得到广泛的应用[3-5]。硬质涂层材料TiN是最早开发并广泛应用的刀具涂层，其优点是与金属亲和力小，韧性比较好，温度可达500℃，适于切削钢材。但耐氧化性较差、硬度较低，不能满足当前金属切削对涂层性能的要求[6-10]；新型纳米复合涂层TiBN是基于TiN和TiB2发展起来的多元涂层，是最具有吸引力和发展前景的涂层之一，TiBN多相涂层的性质主要取决于涂层中纳米晶和非晶相的相对含量，另外，涂层中B原子进入TiN晶格中形成非平衡过饱和固溶体，也显著改善了涂层的机械性能[11-12]。

多弧离子镀技术有较高的离化率（对于金属靶材，离化率超过80%），是刀具涂层技术中使用最广泛、最成熟的PVD涂层技术之一[13-14]，也是新型纳米复合涂层制备的主要技术之一[15-16]。文中采用离子源辅助电弧离子镀技术，在硬质合金衬底上制备TiBN纳米复合涂层，系统研究基底偏压对TiBN涂层结构和力学性能的影响。

1 实验

试验使用离子源辅助电弧离子镀系统，在单晶硅和硬质合金衬底上制备TiBN纳米复合涂层。实验所用的衬底材料分别依次在波尔清洗液和去离子水中超声清洗并烘干。极限真空5×10-3Pa。在Ar气氛、2 Pa气压下，开启离子源对工件进行等离子体清洗，以保证衬底表面清洁无污物。辉光清洗结束后，开启金属Cr靶，在800 V，0.5 Pa的Ar气气氛中对衬底进行金属离子刻蚀，刻蚀结束后，降低偏压在纯N2气氛中先沉积5 min CrN过渡层，再沉积40 min TiBN涂层。制备过程中温度控制在300℃，总气压控制在0.7 Pa，具体工艺参数见表1。图1为TiBN涂层结构示意图，使用金属Cr轰击刻蚀，CrN作为过渡层，来提高TiBN涂层的膜基结合力。总厚度大约为2～3 μm。通过自动控制系统实现涂层工艺运行。

图1 离子源辅助电弧离子镀系统

表1 TiBN涂层沉积参数

获得样品后，采用X射线衍射仪测定涂层的相结构，采用场发射扫描电子显微镜SIRION-200（FEI）观察涂层表面形貌。硬度测量和附着力测量分别在HX-1000维氏显微硬度计和MFT-4000多功能材料表面性能测试仪上进行。

2 涂层测试结果与结论

2.1 涂层的晶体结构

从图2 X射线衍射谱中可以看出，在2θ＝35.9°有较强衍射峰，对应于面心立方（fcc）结构的TiN（111），在不同的基体偏压条件下，涂层表现了（111）面择优生长。XRD图谱中没有发现TiB2相或BN相，说明二者以非晶态、亚纳米晶态存在，或没有形成Ti-B或B-N化学键。

图2 Ti-B-N纳米复合涂层结构示意图

2.2 涂层的表面形貌

从图3 SEM表面形貌图中看以看出，当偏压为-100V，真空比为80%时沉积的涂层最平滑，此后随着偏压继续增加，涂层表面凹坑逐渐增加，这是由于在高偏压下，高能粒子轰击溅射作用，使得附着较弱的涂层表层大颗粒脱落产生凹坑所致。

图3TiBN基涂层的XRD图谱

2.3 涂层的机械性能

图4 为TiBN涂层与基体附着力随基体偏压变化的关系曲线。随着基体偏压的增加，附着力逐渐减小，当偏压为-150 V是达到最小值36 N，偏压继续增加到-200 V时，附着力增加到38 N。

（续下图）

（接上图）

图4 TiBN涂层的表面形貌图

图5 TiBN涂层的附着力随偏压变化曲线

从图6中可以看出，随着基体偏压的增加，涂层的硬度也逐渐增加，在基体偏压为-200 V时获得最大值为3600 Hv0.05。当基体偏压越大，粒子到达基体表面的能量也越大，高能粒子在基地表面充分迁移，涂层较为致密，同时高能粒子轰击加热作用使沉积的涂层具有较大的压应力，所以硬度也较高。

图6 TiBN涂层的硬度变化图谱

3 结论

采用多弧离子镀膜技术成功制备Ti-B-N超硬涂层，着重研究了基体偏压对涂层结构和性能的影响：

1）XRD分析表明，TiBN涂层为面心立方结构。

2）随着沉积偏压的升高，涂层硬度逐渐增大，在-200 V偏压下沉积的TiBN涂层的硬度最大，为3 600 HV。涂层附着力随偏压增大有减小趋势。

3）偏压对TiBN涂层的结构、附着力和显微硬度影响明显，涂层表面颗粒较少。高偏压下TiBN涂层硬度较高，但附着力较差。