TiN系硬质薄膜的制备及性能研究

硬质薄膜可有效延长工具的使用寿命、提高加工效率和精度、降低加工成本，具有广泛的应用前景。随着工业技术的进步，对硬质薄膜的性能要求也在不断提高，即不但要有较高的硬度和膜/基结合力，薄膜表面也要平整。针对以上需求，本文利用PVD技术沉积TiN、TiAlN硬质薄膜，从工艺优化，镀膜技术结合等方面研究薄膜性能。主要结论如下：（1）在本课题组前期研究基础上，优化了磁过滤离子镀和磁控溅射镀膜工艺。对于磁过滤离子镀，当偏压为-150V，磁过滤电流为4.5A时，制备的TiN薄膜表现出较大的沉积速率，最大的测试硬度值和最大的膜/基结合力。对于磁控溅射技术，当氮气流量为2sccm时，制备的TiAlN薄膜表现出最大的测试硬度值，当氮气流量为4sccm时，TiAlN薄膜的结合力可达到：LC1=18N，LC2=22.5N。对磁控溅射TiAlN薄膜进行高温氧化实验，结果表明当温度高达800℃时，薄膜仍能有效抑制Fe，O元素的扩散，当温度提高到850℃时，薄膜失去对基体的保护作用。（2）创新性地结合了电弧离子镀技术离化率高、入射粒子能量高和磁控溅射技术膜层均匀、表面平整等优点，在高速钢上制备了Ti/TiN/TiAlN复合膜。复合膜从基体、过渡层Ti/TiN膜到表面TiAlN膜层，热膨胀系数和硬度呈梯度过渡，可有效缓解膜层内应力，提高膜层综合性能；另外，电弧离子镀TiN过渡层表面沉积的“大颗粒”在磁控溅射沉积TiAlN薄膜时也会结晶长大，晶粒组织形貌与膜上的TiAlN晶粒相似，提高了其与周围薄膜的结合。因此该方法制备的Ti/TiN/TiAlN复合膜不仅硬度高，表面相对平整，膜与膜、膜与基体间也结合紧密，复合膜结合力可高达:LC1=21.3N，LC2＞30N。（3）创新性地结合电弧离子镀与磁过滤离子镀技术，将电弧离子镀过渡层研磨抛光处理后镀覆磁过滤离子镀表面层，用此方法在高速钢和硬质合金表面制备TiN双层膜，双层膜的表面平整，粗糙度低，膜/基结合力高，高速钢上的膜/基结合力高达：LC1=20.3N，LC2=23.7N；硬质合金上的膜/基结合力更高达：LC1=11.4N，LC2＞30N。而且这种方法可以应用在薄膜沉积效果不佳或膜层经反复使用后的重新镀膜的领域，满足绿色、环保、节约等要求，具有非常重要的经济效益和工程意义。