涂层(ceng)刀具(ju)的出现(xian)是刀具(ju)发展(zhan)史(shi)上的一个重要里(li)程(cheng)碑，解(jie)决了(le)刀(dao)具材(cai)料硬(ying)度(du)和耐磨(mo)性愈高(gao)、强(qiang)度和韧(ren)性(xing)愈低的(de)矛盾(dun)。涂层刀(dao)具(ju)与新一(yi)代(dai)高(gao)速机床及(ji)工(gong)具系统(tong)相结合[1]，使高(gao)速(su)切削(xue)、干(gan)式(shi)切(qie)削(xue)和(he)硬加(jia)工技术(shu)得(de)到迅(xun)速(su)发(fa)展，并(bing)使切(qie)削效率(lv)和零件(jian)的(de)加(jia)工质(zhi)量(liang)提高到(dao)一个(ge)新(xin)的水(shui)平，减少了切(qie)削液的(de)使(shi)用，降(jiang)低了成本，利(li)于(yu)环境保(bao)护(hu)[2]。多年(nian)来，科(ke)研工作(zuo)者对硬(ying)镀膜工艺对(dui)涂(tu)层性能的影(ying)响(xiang)进行了(le)大量研(yan)究，包括气体(ti)流量、基(ji)底偏(pian)压、基(ji)底温度(du)和靶电流[3-9]等，而(er)对(dui)做(zuo)为沉(chen)积(ji)膜层源材(cai)料(liao)的靶材的(de)结构(gou)与(yu)其所(suo)沉(chen)积涂(tu)层(ceng)的(de)性(xing)能(neng)与(yu)结构研(yan)究(jiu)较少[10]。本(ben)文研究了(le)完(wan)全(quan)合(he)金化(hua)和(he)完全未(wei)合金化钛(tai)铝(lv)靶(ba)材的相结(jie)构，并(bing)研究(jiu)了(le)采(cai)用(yong)磁(ci)控溅射法，通氮(dan)气(qi)与不(bu)通氮气条件(jian)下(xia)沉积(ji)涂(tu)层的成分、结(jie)构(gou)和性能，探讨(tao)了(le)不(bu)同相结构(gou)钛(tai)铝靶材与(yu)其(qi)沉(chen)积涂层(ceng)在(zai)成分、结构(gou)和性(xing)能之间(jian)的关(guan)系(xi)。
1、实(shi)验材(cai)料(liao)与(yu)过程(cheng)
镀(du)膜(mo)设(she)备(bei)采用四(si)川大(da)学自(zi)制(zhi)PEMS-800型PVD磁控溅射镀(du)膜(mo)机。工作气(qi)体为(wei)高纯Ar，反应气体(ti)为(wei)高(gao)纯N2，在沉积涂(tu)层(ceng)之前(qian)对(dui)靶材(cai)进行(xing)离子刻(ke)蚀(shi)清洗。选(xuan)用靶材的成(cheng)分(at%)为(wei)Ti∶Al=1∶1，完全合金(jin)化(hua)和完(wan)全(quan)未合(he)金(jin)化两(liang)种(zhong)，这(zhe)两(liang)种靶材采用(yong)同一镀(du)膜(mo)工(gong)艺(yi)，镀膜(mo)工(gong)艺(yi)1：真空(kong)度(du)3.7×10-1Pa，基(ji)底(di)偏(pian)压(ya)40V，Ar气(qi)体流(liu)量(liang)85mL/min，沉(chen)积(ji)时(shi)间240min；镀(du)膜(mo)工艺(yi)2：真空(kong)度3.7×10-1Pa，基(ji)底偏压40V，Ar与(yu)N2气体(ti)流量比(bi)为(wei)85/35，沉(chen)积时(shi)间240min。
分析采用(yong)场(chang)发射扫描电(dian)镜(jing)观察(cha)涂(tu)层(ceng)的表(biao)面(mian)形貌；采(cai)用(yong)X射线(xian)衍射仪(yi)分析靶材(cai)和涂(tu)层的(de)相结构，分析选用Cu靶(ba)(λ=1.54056Å)；涂(tu)层(ceng)的硬度(du)采(cai)用(yong)纳米硬(ying)度仪测定，选(xuan)用连续刚(gang)度(du)的方法(fa)，最(zui)大载(zai)荷(he)600mN，为了(le)减少(shao)基(ji)体(ti)对涂(tu)层(ceng)硬(ying)度(du)的(de)影响(xiang)，硬(ying)度值(zhi)选取压(ya)入深(shen)度为(wei)涂(tu)层厚度1/10左(zuo)右的(de)数(shu)值；采(cai)用(yong)压(ya)痕(hen)实验检(jian)测涂层与(yu)基(ji)底的结(jie)合强(qiang)度(du)，设(she)备(bei)选(xuan)用(yong)洛氏硬度(du)试(shi)验机(ji)，圆锥形(xing)金刚(gang)石(shi)压(ya)头(tou)，加(jia)载砝码(ma)60kg，压(ya)载时间(jian)4s。
2、结果(guo)与讨(tao)论(lun)
2.1完全(quan)合(he)金(jin)化(hua)和完全(quan)未合金(jin)化(hua)钛(tai)铝靶(ba)材的(de)相(xiang)结(jie)构(gou)从(cong)完全(quan)未(wei)合(he)金化(Target1)和(he)完全合(he)金(jin)化(Target2)的(de)钛(tai)铝(lv)靶(ba)材的(de)XRD图(tu)谱(图1)可看出(chu)，完(wan)全(quan)合金(jin)化(hua)的(de)钛铝靶材的(de)主相(xiang)是TiAl相，有(you)少(shao)量(liang)的(de)Ti3Al相(xiang)存(cun)在(zai)；而完(wan)全(quan)未(wei)合金(jin)化(hua)的(de)钛(tai)铝(lv)靶(ba)材的(de)物(wu)相(xiang)为(wei)密(mi)排六(liu)方结构(gou)纯钛相和纯铝(lv)相，没有钛铝(lv)合(he)金相存在(zai)，两(liang)种靶材的相(xiang)结(jie)构(gou)有(you)明(ming)显的(de)差别。
2.2未(wei)通(tong)氮(dan)气条件下(xia)两种靶(ba)材(cai)沉(chen)积涂层(ceng)性能(neng)的对比(bi)
2.2.1涂(tu)层的(de)相(xiang)结(jie)构
图(tu)2是(shi)两(liang)种靶材沉(chen)积(ji)涂(tu)层(ceng)(未(wei)通(tong)N2)XRD图(tu)谱对(dui)比(bi)。可以发(fa)现，两种(zhong)靶材在(zai)相(xiang)同的(de)沉积条件(jian)和(he)时间下(xia)，得(de)到(dao)的涂层组(zu)织具有(you)相同的相(xiang)结(jie)构(gou)，主(zhu)要是密(mi)排(pai)六方的纯Ti相和Ti3Al相(xiang)，说明材(cai)料在(zai)溅(jian)射(she)沉积过(guo)程中(zhong)元(yuan)素与元素之(zhi)间(jian)发生了(le)合(he)成(cheng)与分解(jie)的(de)反(fan)应。
但从(cong)图2中还(hai)能(neng)发现(xian)未(wei)完全合金(jin)化涂层(ceng)中密排(pai)六(liu)方(fang)相(xiang)结构(gou)的纯(chun)Ti相(xiang)的含量高于完(wan)全合(he)金化(hua)涂(tu)层，而(er)完(wan)全(quan)合金(jin)化涂(tu)层中(zhong)Ti3Al相(xiang)的含量(liang)高(gao)于未完(wan)全合(he)金(jin)化(hua)。结(jie)合(he)图1进行分(fen)析，结(jie)果表明(ming)，在(zai)没有通氮气条(tiao)件(jian)下，材(cai)料(liao)在(zai)沉(chen)积过程(cheng)中(zhong)其(qi)结(jie)构(gou)具有一(yi)定的遗传(chuan)性，溅(jian)射过(guo)程是以(yi)原(yuan)子为(wei)单(dan)位(wei)进(jin)行(xing)的。
2.2.2涂层的(de)断(duan)口(kou)和表(biao)面(mian)形貌(mao)
从(cong)图(tu)3可看出(chu)，两(liang)种不同相(xiang)结构钛(tai)铝(lv)靶材的(de)沉积(ji)涂(tu)层(ceng)没(mei)有明显(xian)的(de)柱状(zhuang)晶(jing)生成(cheng)，结构相(xiang)似，且(qie)涂(tu)层(ceng)厚(hou)度(du)相同(tong)，均为(wei)2.2μm，说(shuo)明两(liang)种不(bu)同相(xiang)结构钛铝(lv)靶(ba)材(cai)在(zai)镀(du)膜(mo)工艺(yi)1的(de)条件下沉积(ji)速(su)率(lv)相(xiang)同(tong)。从图(tu)4的(de)表(biao)面形(xing)貌可(ke)以看出，表(biao)面结(jie)构(gou)基本类(lei)似，但完(wan)全(quan)合金(jin)化(hua)靶材(cai)沉(chen)积涂(tu)层(ceng)的晶(jing)粒(li)大(da)小约是(shi)完(wan)全未合(he)金(jin)化靶材的2倍。
2.2.3涂(tu)层(ceng)的(de)结合强度(du)
图4为(wei)压痕(hen)图(tu)片(pian)，图5为(wei)压(ya)入(ru)法(fa)测(ce)结合(he)强(qiang)度标准(zhun)图(tu)谱(pu)。其(qi)中(zhong)HF1-HF4表示(shi)有足(zu)够的(de)结合(he)强(qiang)度(du)，HF5-HF6表(biao)示(shi)结(jie)合(he)强(qiang)度(du)不够(gou)，对照标(biao)准图(tu)谱(pu)可(ke)知(zhi)，完全未合金化(hua)靶材沉积(ji)的涂(tu)层(ceng)属(shu)于(yu)HF-4，完(wan)全合(he)金(jin)化(hua)靶(ba)材(cai)沉(chen)积(ji)的涂层属于HF-3，均(jun)具(ju)有足(zu)够高的(de)结合强度(du)，但(dan)未(wei)完全合金(jin)化涂(tu)层(ceng)的(de)结(jie)合(he)强(qiang)度(du)略(lve)高于(yu)完全(quan)合金化涂层(ceng)。
2.3通N2条(tiao)件下(xia)两(liang)种(zhong)靶(ba)材沉积涂(tu)层性能(neng)的(de)对(dui)比(bi)
2.3.1涂层(ceng)的相(xiang)结(jie)构(gou)
图(tu)6是(shi)两种不(bu)同相结构(gou)靶材(cai)沉(chen)积(ji)涂层(ceng)(通N2)XRD图(tu)谱对(dui)比(bi)。可以(yi)发(fa)现(xian)，两(liang)种靶(ba)材在相(xiang)同(tong)的(de)沉(chen)积(ji)条(tiao)件(jian)和(he)时间下(xia)，得到的(de)涂(tu)层(ceng)有(you)相(xiang)同的相(xiang)结(jie)构(gou)，主(zhu)要(yao)是(shi)TiN相和(he)Ti2N相，含(han)有(you)少(shao)量(liang)的AlN相。
2.3.2涂(tu)层的断(duan)口(kou)和表面(mian)形(xing)貌(mao)
从图7可(ke)看出，两(liang)种(zhong)靶(ba)材(cai)的沉积(ji)涂层(ceng)没(mei)有柱状晶(jing)生(sheng)成，未(wei)完全合金(jin)化的(de)靶材沉积(ji)的涂(tu)层(ceng)厚(hou)度(du)为(wei)0.95μm，完全合(he)金(jin)化的靶(ba)材(cai)沉(chen)积的涂(tu)层厚度为(wei)1.03μm，说(shuo)明完全合金化的(de)靶材(cai)的(de)沉积(ji)速(su)率略(lve)高(gao)于(yu)完(wan)全(quan)未合金(jin)化的(de)靶材(cai)的(de)沉积速(su)率。从(cong)图(tu)7的表(biao)面(mian)形貌可以(yi)看出(chu)，表(biao)面结构(gou)基本(ben)类似(shi)。
2.3.3涂层的结(jie)合强(qiang)度和硬度(du)
图(tu)8为压(ya)痕(hen)图(tu)片。对照标准图(tu)谱可(ke)知(zhi)，未完全合金(jin)化靶(ba)材(cai)通氮气(qi)沉(chen)积(ji)的涂层属(shu)于(yu)HF-1，完(wan)全合(he)金化(hua)靶材(cai)沉(chen)积(ji)的涂层(ceng)属于HF-2，均具(ju)有(you)足(zu)够高(gao)的结合强(qiang)度，但(dan)完全合金(jin)化略(lve)低于未(wei)完(wan)全(quan)合金(jin)化(hua)。未(wei)完全合金(jin)化的(de)纳(na)米硬(ying)度为27.9GPa，完(wan)全(quan)合金(jin)化的(de)纳(na)米硬度为(wei)31.0GPa，后(hou)者(zhe)高(gao)于(yu)前者3.1GPa。
2.4两种工艺(yi)下(xia)涂层(ceng)成分(fen)的变化
从图9可以看出(chu)，在不(bu)通N2的镀膜工(gong)艺1的(de)条(tiao)件(jian)下，未(wei)完全(quan)合金化(hua)涂(tu)层和完(wan)全合金化(hua)涂(tu)层(ceng)中钛(tai)和(he)铝的原子比均(jun)高(gao)于靶(ba)材(cai)中钛和(he)铝的(de)原子比，而完全合(he)金(jin)化(hua)涂(tu)层中钛和(he)铝(lv)的原(yuan)子比高(gao)达(da)1.72，比(bi)未(wei)完(wan)全(quan)合金(jin)化涂层(ceng)中(zhong)钛(tai)和铝(lv)的(de)原(yuan)子(zi)比高(gao)出40%，说明(ming)铝的沉(chen)积(ji)效率低(di)于(yu)钛的沉积(ji)效率，完(wan)全(quan)合(he)金化的(de)靶材中(zhong)铝元素(su)的(de)沉积(ji)效(xiao)率则更低；在(zai)通N2的(de)工艺条(tiao)件(jian)下，二(er)种涂(tu)层(ceng)中(zhong)钛和铝(lv)的(de)原(yuan)子比均接(jie)近靶(ba)材中(zhong)钛(tai)和(he)铝的(de)原(yuan)子(zi)比，说(shuo)明钛和铝(lv)的沉积(ji)效率相(xiang)似(shi)；在(zai)通(tong)N2的(de)工(gong)艺(yi)条(tiao)件(jian)下，二种涂层(ceng)中(zhong)金(jin)属(shu)和(he)氮(dan)的原(yuan)子(zi)比相(xiang)近，分别为0.87和0.89。结合2.3.3中的两(liang)种涂(tu)层(ceng)的(de)硬(ying)度分(fen)析(xi)，完全(quan)合金化(hua)涂层的(de)硬度高(gao)于(yu)未(wei)完全合(he)金(jin)化涂层(ceng)的(de)硬(ying)度(du)的原(yuan)因(yin)可能(neng)与涂层中(zhong)铝(lv)的含(han)量(liang)高(gao)有(you)关[11]。
3、结论(lun)
(1)在(zai)不通N2的条件下，两种不同相(xiang)结(jie)构(gou)靶(ba)材(cai)沉积(ji)涂(tu)层(ceng)的表(biao)面(mian)形(xing)貌、沉积速率(lv)、结(jie)合(he)力等性(xing)能(neng)相似(shi)，涂(tu)层(ceng)的(de)相(xiang)结(jie)构(gou)相同，但不同相的含(han)量(liang)不(bu)同，说(shuo)明(ming)靶(ba)材在(zai)沉(chen)积(ji)沉积成膜(mo)过(guo)程中(zhong)其(qi)结(jie)构(gou)具(ju)有(you)一定的遗传性，溅(jian)射过程是以(yi)原(yuan)子为(wei)单(dan)位(wei)进行的。
(2)在通N2的条件下，两种不同相(xiang)结(jie)构(gou)靶(ba)材沉(chen)积涂(tu)层的表(biao)面(mian)形(xing)貌、沉(chen)积(ji)速(su)率、结合力(li)等(deng)性能(neng)相似，涂层的相(xiang)结构(gou)和(he)涂层中氮含量(liang)相同，但(dan)完(wan)全(quan)合金(jin)化靶(ba)材(cai)沉积涂(tu)层的(de)硬度(du)高于(yu)完全(quan)未合(he)金化靶材(cai)3GPa，可能源(yuan)于(yu)其(qi)涂(tu)层中铝(lv)的(de)含(han)量较高(gao)。
(3)在两种(zhong)工艺(yi)条(tiao)件(jian)下，完(wan)全(quan)合金(jin)化(hua)钛(tai)铝靶(ba)材(cai)中的铝的沉积效(xiao)率(lv)低于完全(quan)未(wei)合金(jin)化(hua)中铝的沉积效(xiao)率，钛铝原子比低40%左右。
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