磁控溅射Ti-Al-N复合膜的摩擦磨损性能分析_陆昆.pdf

现代材料表面改性技术的快速发展，使得薄膜材料的种类更是层出不穷.随着中国制造2025国家战略的实施及中国制造业的转型和升级，在TiN薄膜的基础上，具备更高的硬度、良好的高温抗氧化性能等特性的Ti-Al-N薄膜得到了广泛的研究1-4.近年来，Ti-Al-N薄膜在切削加工、模具加工、航天航空等领域得到了广泛的使用.长期以来对Ti-Al-N薄膜的研究热点主要集中在力学性能方面，如胡志华等5采用多户离子镀的技术在烧结Nd-Fe-B磁体上分别沉积了TiN薄膜和Ti-Al-N薄膜，研究发现氮氩比为1 1时，Ti-Al-N薄膜的膜基结合力、耐腐蚀性能都要优于TiN薄膜.左伟峰等6在研究Ti-Al-N薄膜的微观组织结构时，发现膜层中Ti-Al-N的相结构主要从（111）面择优生长.张月等7采用直流磁控溅射研究不同Al/Ti比例的Ti-Al-N薄膜性能，发现随着Al/Ti比例的增大，膜层中AlN相增多，而TiAlN相的数量却减少.文献8采用多弧离子镀技术制备TiN涂层，研究氧化温度、氧化时间对TiN涂层高温氧化动力学的影响规律时，发现随着氧化时间延长，TiN涂层氧化量首先增加然后趋于稳定，TiN涂层抗氧化温度达到600.文献9采用真空磁控溅射技术制备了不同Al质量分数的Ti-Al-N薄膜，研究Al质量分数对薄膜的微结构、硬度和高温抗氧化性能的影响.结果表明，随着Al质量分数的增加，Ti-Al-N复合膜呈c-TiN(111)面择优取向生长，薄膜的硬度先增加后减小，Ti-Al-N薄膜的抗氧化温度达到了900.到目前为止，国内外对Ti-Al-N薄膜的研究主要集中在微结构和力学性能方面，因此研究其在不同温度条件下的摩擦磨损性能具有一定的意义和应用价值.在之前的研究基础上，文中采用真空磁控溅射的方法在304不锈钢片沉积不同Al质量分数的Ti-Al-N薄膜，采用摩擦磨损实验设备研究室温及高温条件下薄膜摩擦磨损性能，并讨论其摩擦磨损机理.1实验材料和方法1.1复合膜制备使用由中科院沈科仪制造的JGP-450型多靶磁控溅射仪在304不锈钢基片表面上沉积Ti-Al-N薄膜.将纯度都为99.99%的Ti靶和Al靶分别安装在两个射频阴极上，其中靶材直径为75 mm，厚度为5磁控溅射Ti-Al-N复合膜的摩擦磨损性能分析陆昆，杨海*（滁州城市职业学院 医学院，安徽 滁州 239000）摘要：采用真空磁控溅射技术的方法制备了不同Al质量分数的Ti-Al-N薄膜，分别研究了室温及高温下不同Al质量分数的Ti-Al-N薄膜的摩擦磨损性能.研究结果表明，Al质量分数和温度都对薄膜的摩擦磨损性能产生较大的影响.室温时，当Al质量分数为49.97%时，薄膜的平均摩擦系数最小，为0.772 3；高温条件下，薄膜的摩擦系数显著低于室温条件下，当Al质量分数为39.51%时，平均摩擦系数最小，为0.379 2.关键词：Ti-Al-N薄膜；真空磁控溅射技术；摩擦磨损；Al原子；摩擦系数中图分类号：TG174.44文献标识码：A文章编号：2095-2481（2023）02-0138-05收稿日期：2022-01-13作者简介：陆昆（1986-），男，副教授.E-mail:.*通信作者：杨海（1972-），男，高级讲师.E-mail:基金项目：安徽省教育厅自然科学重点项目（KJ2020A1004）;安徽省省级质量工程一般项目（2019jyxm0642）.第 35 卷第 2 期2023 年 6 月宁德师范学院学报(自然科学版)Journal of Ningde Normal University（Natural Science)Vol.35 No.2Jun.2023DOI:10.15911/ki.35-1311/n.2023.02.002第2期陆昆，等：磁控溅射Ti-Al-N复合膜的摩擦磨损性能分析mm，基片架到靶材中间的距离为11 cm.先将304不锈钢基片抛光至表面没有划痕，然后在丙酮和无水乙醇超声波中分别清洗不锈钢基片15 min，随即用热空气吹干后并迅速装入真空室里的基片架上.采用分子泵及机械泵抽掉真空室中的空气，直至真空度优于6.010-4Pa，然后向真空室中通入Ar气起弧，其中Ar气纯度达到了99.999%.在正式沉积复合膜之前，先通过挡板将基片与离子区隔离开，对靶材进行预溅射10 min，目的是消除靶材表面的杂质氧化物；在基片上沉积10 min的Ti原子以提高薄膜与不锈钢片的结合力.最后通入纯度高达99.999%的N2作为反应气体进行薄膜沉积，薄膜沉积时间为4.0 h，期间保持工作气压为0.3 Pa、基片温度为200.Ti靶功率调至250 W不变,设置Al靶的功率分别为0、100、140、180 W，制备出不同Al质量分数的Ti-Al-N薄膜，如表1.表1Ti-Al-N复合膜制备工艺参数样品1#2#3#4#钛靶功率/W250250250250铝靶功率/W0100140180溅射气压/Pa0.30.30.30.3Ar流量/（10-10m3s-1）1.71.71.71.7N2流量/（10-11m3s-1）5.05.05.05.0基底温度/2002002002001.2复合膜性能测试方法采用UMT-2型摩擦磨损试验机测试薄膜的摩擦磨损性能，摩擦磨损实验温度分别为室温（550）和高温（800），其中摩擦副为直径为9.38 mm的Al2O3陶瓷磨球，载荷为5 N，摩擦半径为5 mm，摩擦时间为30 min.采用JSM-6480型扫描电子显微镜（SEM）观察摩擦磨损实验后薄膜的表面形貌.2实验结果与讨论2.1不同Al靶的溅射功率下的Ti-Al-N复合膜中Al质量分数图1 为Ti-Al-N薄膜中Al质量分数与Al靶功率关系示意图.由图可见，薄膜中 Al质量分数和Al靶的溅射功率成正比关系.设置Al靶的溅射功率分别为0、100、140、180 W 时，测得相应的薄膜中 Al质量分数为 0%、39.51%、49.97%、57.92%.入射离子(Ar+)能量的大小与原子溅射的产率有着直接的关系，只有Ar+的能量大于一定的阈值时，才能使靶上的原子被溅射出来.在保持其他反应条件不变的情况下，逐步提高Al靶的溅射功率，薄膜中的Al质量分数随之提高，因此图中的变化曲线也是合理的.2.2室温条件下Ti-Al-N复合膜摩擦磨损性能选取不同Al质量分数的Ti-Al-N薄膜在室温条件下进行摩擦磨损试验.图2和图3为室温下不同Al质量分数的Ti-Al-N薄膜的平均摩擦系数和摩擦系数随着试验时间变化曲线示意图.由图可见，在TiN薄膜中引入Al元素后，Ti-Al-N薄膜的平均摩擦系数明显减小.将Al质量分数增加到39.51%时，平均摩擦系数下降20%左右，并随着Al质量分数的增加，Ti-Al-N薄膜的平均摩擦系数先减小后增大，研究发现当Al质量分数为49.97%时平均摩擦系数最低，为0.772 3.从摩擦系数随着时间变化曲线中也可以看出，Ti-Al-N薄膜的整体耐磨性也要优于TiN薄膜.Al质量分数Al靶功率/W图1Ti-Al-N薄膜中Al质量分数与Al靶功率关系示意图0.70.60.50.40.30.20.10.0-0.1-20020406080100120140160200-139宁德师范学院学报(自然科学版)2023年6月Al质量分数平均摩擦系数0.940.920.900.880.860.840.820.800.780.760.74-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7时间/s-20002004006008001000120014001600180020000.00.20.40.60.81.01.2时间(s)摩擦系数1:0.00%2:39.51%3:49.97%4:57.92%4123摩擦系数1.21.00.80.60.40.200200400600800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 0001 0%2 39.51%3 49.97%4 57.92%图2室温下不同Al质量分数的Ti-Al-N薄膜的平均摩擦系数图3摩擦系数随着试验时间变化曲线示意图薄膜的摩擦磨损性能与硬度有着密切的关系.薄膜硬度提高后，在摩擦过程中会降低接触面积，对降低薄膜的摩擦系数有非常大的帮助,因此硬度较高的薄膜具有较好的耐磨性10.但硬度只是影响薄膜摩擦磨损性能的众多因素之一，Al元素的引入使得薄膜的韧性得以提升11，韧性的提升也是提高薄膜耐磨性的主要原因.随着Al质量分数的增加，薄膜的硬度及韧性都得到提高，因而薄膜的耐磨性增强，摩擦系数逐渐减小；而进一步增加Al质量分数后，形成了六方相的AlN，导致薄膜的硬度及韧性都下降，薄膜的脆性增加，薄膜的耐磨性降低，对应的摩擦系数变大.2.3高温条件下Ti-Al-N复合膜摩擦磨损性能图4为不同Al质量分数的Ti-Al-N复合膜在高温环境下的平均摩擦系数.因TiN薄膜的高温抗氧化性能较差12，Al质量分数为0%时，设置复合膜的摩擦磨损实验温度为 550；Al 质量分数分别为 39.51%、49.97%、57.92%时，Ti-Al-N复合膜摩擦磨损实验温度为800.从图中可以看出高温时的摩擦曲线变化比较大，在TiN薄膜中提高Al质量分数后，薄膜的平均摩擦系数锐减，而进一步提高质量分数后，平均摩擦系数反而升高，实验发现在Al质量分数为39.51%时平均摩擦系数最小，为0.379 2.此外，相对于室温条件下的平均摩擦系数，高温条件下复合膜整体摩擦系数小得多.为了进一步研究高温条件下的摩擦磨损机理，选取不同Al质量分数的薄膜摩擦磨损后表面形貌图.图5为不同Al质量分数的Ti-Al-N复合膜高温条件下摩擦磨损实验后的表面形貌图.从图5(a)中可以看到Al质量分数为0%时，摩擦过程中产生大量的白色物质且磨痕较深；随着Al质量分数的递增，即从图5(b)至图5(d)，可以看到磨痕表面的白色物质在逐渐减少，磨痕的深度亦在降低，进一步增加Al质量分数至57.92%，磨痕宽度在逐渐变窄.薄膜的高温抗氧化性与Al的原子含量有很大关系，研究发现Al质量分数低于70时，复合膜高温抗氧化性与Al质量分数成正比关系13,14.Al质量分数为0%时，薄膜成分是TiN，在高温摩擦氧化生成TiO215，磨痕表面生成白色磨屑粉末，可见明显的犁沟，此时的磨损类型为典型的磨粒磨损.图5(b)至图5(d)薄膜抗氧化性能随着Al质量分数的增加而提升，高温摩擦过程中生成具有高硬度Al2O3的量在逐渐减少.Paldey 等16研究发现Ti-Al-N薄膜摩擦实验中生成的Al2O3摩擦层，因具有高硬度和良好抗氧化性能对后续的摩擦起到了固体润滑的效果，对改善薄膜耐磨性有很大的帮平均摩擦系数Al质量分数图4不同Al质量分数的Ti-Al-N复合膜在高温条件下的平均摩擦系数-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.500.480.460.440.420.400.380.36-140第2期陆昆，等：磁控溅射Ti-Al-N复合膜的摩擦磨损性能分析助.Peterson 等17研究了合金材料高温摩擦学特性，分析认为生成氧化物膜厚度在0.051.00m之间是具备有效润滑的条件之一.在Al质量分数为39.51%时，此时薄膜在摩擦过程中表面氧化程度较高，生成的具有自润滑性的Al2O3的膜较厚，平均摩擦系数最低及摩擦磨损性能最好.(a)Al质量分数为0%(b)Al质量分数为39.51%(c)Al质量分数为49.97%(d)Al质量分数为57.92%图5不同Al质量分数Ti-Al-N复合膜磨痕的表面形貌3结论Al质量分数对Ti-Al-N薄膜的摩擦磨损性能有着显著的影响.高温条件下的摩擦系数明显优于低温条件下，根据摩擦系数变化来看：（1）室温条件下，Al质量分数为49.97%时，Ti-Al-N复合膜平均摩擦系数最小为0.772 3，研究发现这是硬度和韧性共同作用的结果.（2）高温摩擦实验时，平均摩擦系数先减小后增大，分析认为由于抗氧化温度的差异，在Al质量分数为39.51%时薄膜氧化生成Al2O3润滑层，起到了固体润滑剂的作用，提高了薄膜的耐磨性，平均摩擦系数最低，为0.379 2.参考文献：1 闫奎呈,田宪华,刘亚，等.(Ti,Al)N+TiN涂层硬质合金刀具加工铁基高温合金正交切削试验研究 J.工具技术,2020,54(5):3-8.2 ALMYRAS G A,SANGIOVANNID G,SARARAKINOS K.Semi-empirical force-field model for theTi1-xAlxN(0 x 1)system J.Materials,2019,12(2)：215.3 楼玉民,赵宁宁,黄一君，等.TiAlN/TiN纳米多层涂层的高温稳定性研究 J.硬质合金,2020,37(6):409-416.4 SHEN J,CHEN B,UMEDA J,et al.Advanced mechanical properties of a powder metallurgy Ti-Al-N alloy doped with ultrahigh nitrogen concentration J.JOM,2018,70(5)：626-631.5 胡志华,华建杰,马冬威，等.烧结Nd-Fe-B磁体表面多弧离子镀Ti(Al)N镀层性能研究 J.稀土,2017,38(6):51-56.6 左伟峰,赵广彬,程玺儒，等.TiAlN涂层及微观组织结构研究 J.工具技术,2017,51(2):64-67.7 张月,张桂如,马丽华，等.直流磁控溅射制备(Ti,Al)N薄膜研究 J.真空,2017,54(6):29-32.-141宁德师范学院学报(自然科学版)2023年6月8 许建平,王国星,王佳杰，等.多弧离子镀TiN涂层高温氧化特性 J.焊接技术,2020,49(11):14-16.9 陆昆.Ti-Al-N复合膜力学及高温抗氧化性能研究 J.商丘师范学院学报,2020,36(9):33-35.10 SOUSA V,SILVA F,PINTO G F,et al.Characteristics and wear mechanisms of TiAlN-based coatings for machining applications:A comprehensive review J.Metals,2021,11(2):260-260.11 张世玺,蔡海潮,薛玉君，等.Al质量分数对磁控溅射Ti1-xAlxN薄膜结构和摩擦学性能的影响 J.河南科技大学学报(自然科学版),2021,42(4):1-6.12 陈甥怡,罗德福.脉冲叠加直流偏压电弧离子镀制备Ti/TiN涂层的抗氧化性研究 J.热加工工艺,2016,45(14):144-147.13 KAWATE M,HASHIMOTO A K,SUZUKI T.Oxidzation resistance ofCr1-xA1xNandTi1-xAlxNfilms J.Surface and Coatings Technology,2003,165:163-167.14 HASEGAWA H,KIMURA A,SUZUKIT.Ti1-xAlxN,Ti1-xZrxNandTi1-xCrxNfilms synthesized by the AIP method J.Surface and Coating Technology,2000,132:76-79.15 许俊华,曹峻,喻利花.磁控溅射制备TiCN复合膜的微结构与性能 J.中国有色金属学报,2012,22(11):3123-3128.16 PALDEY S,DEEVI S C,Single layer and multilayer wear resistant coatings of(Ti,Al)N:a review J.Materials Science andEngineering A,2003,342(1-2):58-79.17 PETERSON M B,CALABRESES J,LI S Z,et al.Paper I(ii)Frictional properties of lubricating oxide coatings J.TribologySeries,1990,17:15-25.Tribological properties of Ti-Al-N composite films preparedby magnetron sputteringLU Kun,YANG Hai*(Medicine College,Chuzhou City Vocational College,Chuzhou，Anhui 239000,China)Abstract:Ti-Al-N films with different Al mass fraction were prepared by vacuum magnetron sputtering.Thefriction and wear properties of Ti-Al-N films with different Al mass fraction at room temperature and high temperature were studied respectively.The results show that Al mass fraction and temperature have a great influence on the friction and wear properties of the films.At room temperature,when the Al mass fraction is49.97%,the average friction coefficient of the film is the lowest,which is 0.772 3.At high temperature,the friction coefficient of the film is significantly lower than that at room temperature.It is found that when the Al massfraction is 39.51%,the average friction coefficient is the lowest,which is 0.379 2.Key words:Ti-Al-N films;vacuum magnetron sputtering technology;friction and wear;Al atom;frictionalcoefficient责任编辑郭涓-142