【正文】 ，并研究其性能。氬離子在電場(chǎng)作用下轟擊磁控靶面，濺出靶材原子。還要后足夠數(shù)量的離子到達(dá)基體，即離子到達(dá)比。恒壓特性的特點(diǎn)是，靶基距較小時(shí)，基體位于距靶面附近的強(qiáng)等離子體區(qū)內(nèi)，這時(shí)偏流為受正電荷空間分布限制的離子電流，偏流始終隨負(fù)偏壓的上升而增大，當(dāng)負(fù)偏壓上升到一定程度后，處于恒壓狀態(tài)。提高偏流密度，實(shí)質(zhì)上是提高基體附近的等離子體密度?！D22　封閉場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備及其示意圖Fig. 22　The CFUBMSIP equipment and its schematic illustration圖23　不同磁場(chǎng)分布時(shí)偏置基體的伏安特性[46]Fig. 23　Ion current vs. bias voltage for various magnetic arrangements　封閉場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備本文采用英國(guó)Teer涂層公司生產(chǎn)的UDP－650型封閉場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備，該設(shè)備裝有四個(gè)磁控靶，試樣與靶面的距離為100～200 mm。因此，選用W6Mo5Cr4V2高速鋼作為涂層基體具有普遍性和實(shí)際意義。先在金屬清洗液中超聲波清洗15 min除污，然后在丙酮中超聲波清洗15 min脫水。沉積的基本過(guò)程為：（1）離子轟擊清洗：沉積室抽真空至本底氣壓為2～4103 Pa，然后通入氬氣，～ Pa，在低的靶電流和高基體偏壓400～500 V下，對(duì)基體進(jìn)行離子轟擊清洗20 min；（2）金屬打底：增加鈦靶（或鉻靶）電流，降低基體偏壓為120～150 V，用具有較高能量的金屬離子轟擊基體表面，促進(jìn)界面混合；（3）沉積金屬中間層：降低基體偏壓為60 V， μm厚的金屬鈦層（或鉻層），沉積時(shí)間5～8 min；（4）沉積二元氮化物層：通入氮?dú)?，氮?dú)饬髁坑傻入x子體發(fā)射光譜監(jiān)控器自動(dòng)控制，沉積TiN（或CrN）層10～20 min；（5）沉積過(guò)渡層：基體偏壓為75 V，逐漸增加其它靶的電流，實(shí)現(xiàn)由二元涂層向多元涂層的逐漸過(guò)渡，沉積時(shí)間60 min；（6）沉積多元氮化物層：保持各工藝參數(shù)不變，沉積多元氮化物層，沉積時(shí)間60 min或120 min。CrSiN涂層沉積時(shí)使用三個(gè)鉻靶和一個(gè)硅靶，本底氣壓為2～4103 Pa，～ Pa，沉積溫度低于200℃。TiAlN+MoS2Ti、CrTiAlN+MoS2Ti、CrSiN+MoS2Ti復(fù)合涂層是在沉積氮化物涂層后，再把試樣放進(jìn)另一臺(tái)設(shè)備中沉積MoS2Ti涂層。球磨法：使用Teer涂層公司生產(chǎn)的BC－2型球坑儀制備球坑，通過(guò)添加適量金剛石研磨膏的旋轉(zhuǎn)鋼球，在涂層表面研磨出一個(gè)深至基體的凹坑，如圖24（a）所示。當(dāng)涂層與基體界面不清晰時(shí)，可采用背散射電子像技術(shù)來(lái)獲得清晰的界面。納米壓入儀測(cè)試硬度通過(guò)測(cè)量壓入深度計(jì)算硬度值，用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采樣，無(wú)需光學(xué)觀測(cè)，可以提高測(cè)量精確度?！⊥繉痈街缘臏y(cè)試涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度在很大程度上決定了涂層應(yīng)用的可靠性和使用壽命，是得以發(fā)揮涂層作用的基本條件，也是涂層制造過(guò)程中普遍關(guān)心的問(wèn)題。本文中劃痕試驗(yàn)使用CSR－01型劃痕試驗(yàn)機(jī)和ST2200型劃痕試驗(yàn)機(jī)采用摩擦力和聲發(fā)射法來(lái)判斷臨界載荷Lc， N/min和100 N/min，劃痕速度為10 mm/min。用BC－2型球坑儀在磨痕上制備球坑，與測(cè)量涂層厚度的方法相同，測(cè)量出磨痕的深度。則涂層的比磨損率為：ω＝Vw/(P?l) （3）式中：ω為比磨損率（mm3?N1?m1），P為試驗(yàn)所加載荷（N），l為摩擦副的相對(duì)滑動(dòng)距離（m）。透射電鏡涂層樣品的制備方法是：用JO－ mm厚的試片，從基體側(cè)把試片經(jīng)金相砂紙由粗到細(xì)順次研磨至約80 μm，然后置于GL－6960型離子剪薄儀上由基體向涂層表面單向剪薄，直至樣品中心穿孔為止。因此，研制的多元氮化物涂層的硬度都高于2000 HV，一般來(lái)說(shuō)，TiN涂層的硬度約為2000 HV，CrN涂層的硬度約為1800 HV，這說(shuō)明多元氮化物復(fù)合涂層的硬度明顯比二元TiN、CrN涂層的硬度高。在壓入過(guò)程中，壓頭周圍的基體和涂層都發(fā)生很大的變形，當(dāng)變形量超過(guò)了涂層的塑性變形極限后，涂層內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，所以產(chǎn)生了徑向的裂紋，裂紋沒(méi)有沿著涂層與基體的界面擴(kuò)展并使涂層產(chǎn)生剝落，說(shuō)明涂層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度較高。研制的多元氮化物涂層硬度高、附著性好，達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用刀具涂層的性能要求。CrSiN涂層中Cr：Si原子比為92：7。入射離子電流與靶電流成正比。CrTiAlN涂層的截面形貌和該處涂層元素的深度分布如圖37所示，涂層組織致密，涂層與基體的界面平整但不明晰，涂層成分呈明顯的梯度分布，從基體到表面呈現(xiàn)從Cr層到CrN層再過(guò)渡到CrTiAlN層的過(guò)渡形式。涂層與基體之間有一個(gè)平緩的成分和結(jié)構(gòu)過(guò)渡，這種過(guò)渡可以有效的減緩?fù)繉拥膬?nèi)應(yīng)力在涂層與基體的界面處積聚，有利于提高涂層的附著性。這是因?yàn)橥繉映练e溫度較低（低于200℃），涂層生長(zhǎng)時(shí)以密排面（111）為主要生長(zhǎng)晶面，以降低涂層生長(zhǎng)過(guò)程中的界面能增長(zhǎng)。圖39　TiAlN涂層的X射線衍射譜Fig. 39　XRD pattern of the TiAlN coating圖310　CrTiAlN涂層的X射線衍射譜Fig. 310　XRD pattern of the CrTiAlN coatingCrTiAlN涂層的X射線衍射譜如圖310和圖311所示，由于CrTiAlNⅠ涂層的厚度較小，衍射譜上基體的衍射峰較強(qiáng)，涂層的衍射峰較低，CrTiAlNⅡ涂層的厚度較大，因此衍射譜上涂層的衍射峰較強(qiáng)。、 197。稍大，沒(méi)有六方結(jié)構(gòu)的Cr2N或Si3N4相，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)單質(zhì)硅。ba　c圖312　CrTiAlN涂層的TEM照片（a）明場(chǎng)像；（b）暗場(chǎng)像；（c）電子衍射花樣Fig. 312　TEM micrographs form the CrTiAlN coating（a）Bright field image；（b）Dark field image；（c）Electronic diffraction patternCrSiN涂層的透射電鏡照片如圖313所示，可以看出，CrSiN涂層為致密的多晶組織，晶粒尺寸為10～50 nm，在圖313（a）中的每個(gè)黑色區(qū)域內(nèi)部還有更細(xì)小的組織，放大后如圖313（d）所示，可能是由納米晶和非晶相組成的。目前研究者多采用電弧離子鍍法使用鈦鋁合金靶和鉻靶制備CrTiAlN涂層，本文采用非平衡磁控濺射離子鍍法并使用分立的純金屬靶制備CrTiAlN涂層，這能靈活地優(yōu)化涂層的成分、納米結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，并可能控制涂層的殘余應(yīng)力。TiN是一種具有高硬度和高彈性模量的材料，因此在大應(yīng)變和變形情況下會(huì)斷裂。多合金CrTiAlN涂層比單金屬氮化物和二金屬氮化物更耐磨，可能是因?yàn)槎嗪辖鸬镌诳量虠l件下能夠保持硬度、韌性、耐磨性和熱穩(wěn)定性不變。Cr1xSixN涂層的硬度隨硅含量的增加而升高， HV，隨后逐漸降低，當(dāng)x [50]。與E. Martinez等人制備的Cr1xSixN涂層相似。涂層強(qiáng)化的機(jī)制有多種，如晶界強(qiáng)化（即細(xì)晶強(qiáng)化）和固溶強(qiáng)化。CrSiN的強(qiáng)化機(jī)制與TiAlN和CrTiAlN的有所不同，是由于硅原子的間隙固溶而強(qiáng)化。同時(shí)，對(duì)基體進(jìn)行離子轟擊清洗，離子轟擊清洗可清除基體表面吸附的氣體及雜質(zhì)，提高表面清潔度，改善形核和生長(zhǎng)狀態(tài)，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，TiAlN涂層的臨界載荷Lc＝58 N，CrTiAlN和CrSiN涂層的臨界載荷Lc＞60 N。表41　MoS2Ti涂層的厚度、硬度和附著性Table 41　Thickness, hardness and adhesion strength of the MoS2Ti coatings涂 層厚 度（μm）硬 度（HV10mN）附著性等級(jí)Lc（N）MoS2550HF4100MoS2LTi720HF1100MoS2HTi980HF1100～ μm，隨鈦含量的增加而增大。而MoS2LTi涂層和MoS2HTi涂層的壓痕周圍的涂層沒(méi)有裂紋和剝落現(xiàn)象，說(shuō)明涂層的附著性優(yōu)良，可評(píng)定為HF1。ab 圖41　MoS2Ti涂層的典型壓痕照片F(xiàn)ig. 41　Typical indenter images of the MoS2Ti coatings（a）MoS2；（b）MoS2LTiba c圖42　MoS2Ti復(fù)合涂層的劃痕照片和摩擦力－載荷曲線Fig. 42　Scratch images and frictionload graph of the MoS2Ti coating（a）MoS2；（b）MoS2LTi；（c）MoS2HTi綜合來(lái)說(shuō)，在測(cè)試載荷范圍內(nèi)沒(méi)有達(dá)到涂層的劃痕臨界載荷Lc，三種MoS2Ti涂層的Lc＞100 N，具有優(yōu)異的附著性能；但是從壓痕和劃痕的形貌可判斷出，隨著鈦含量的增加MoS2Ti涂層的附著性提高。MoS2涂層在80 N載荷下2350 s時(shí)摩擦系數(shù)急劇增大，光學(xué)顯微觀察發(fā)現(xiàn)涂層已經(jīng)磨穿，含鈦涂層在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍沒(méi)有失效的跡象，說(shuō)明共沉積鈦提高了MoS2涂層的承載性能和耐磨性。N1表42　MoS2Ti涂層的摩擦系數(shù)和比磨損率Table 42　Friction coefficient and specific wear rate of the MoS2Ti coatings涂 層P = 40 NP = 80 Nω（m3m1）MoS210161016MoS2LTi10161017MoS2HTi10171017　MoS2Ti涂層的成分及組織結(jié)構(gòu)MoS2Ti復(fù)合涂層的成分見(jiàn)表43，～ μm，涂層的成分分析結(jié)果中包含鈦過(guò)渡層中的鈦元素，所以表43中的鈦含量大于MoS2Ti復(fù)合層的實(shí)際鈦含量。每種涂層的譜線上都有兩個(gè)衍射帶。處，這是由MoS2（100）、（101）和（103）等晶面衍射產(chǎn)生的。處，其中心約在13176。由表43可以發(fā)現(xiàn)，涂層氧含量隨鈦含量的增加而降低，說(shuō)明共沉積鈦可以降低MoS2涂層中的氧雜質(zhì)含量，從而有利于提高涂層的摩擦性能。m1）ω（m3N1在40 N載荷下，保持了MoS2涂層低摩擦的特性。從圖中可以看出，摩擦系數(shù)隨鈦含量的升高而增大，并且高載荷下摩擦系數(shù)較小。從劃痕照片可以看到，MoS2和MoS2LTi涂層在劃痕周邊有破碎現(xiàn)象，劃痕內(nèi)部較光滑，沒(méi)有裂紋和剝落發(fā)生，而MoS2HTi涂層在劃痕內(nèi)部和周邊都沒(méi)有裂紋和剝落發(fā)生?！oS2Ti涂層的附著性MoS2Ti涂層的典型壓痕照片如圖41所示。（2）在基體與多元氮化物涂層之間加入Ti/TiN或Cr/CrN中間過(guò)渡層大大提高了涂層的附著性，Cr/CrN中間過(guò)渡層的效果更好。為提高涂層的附著性可以在涂層和基體之間加入中間過(guò)渡層，以此來(lái)松弛涂層與基體之間的應(yīng)力。基體的表面狀態(tài)對(duì)附著力有很大影響，基體表面的不清潔將使涂層不能和基體直接接觸，范德瓦爾斯力大大減弱，擴(kuò)散附著也不可能，會(huì)使附著性能很差。TiAlN晶格中的置換鈦原子的鋁原子使晶格發(fā)生畸變，從而提高TiAlN的強(qiáng)度和硬度，CrTiAlN的強(qiáng)化原理與TiAlN相同，置換鉻原子的鈦原子和鋁原子使晶格發(fā)生畸變。 HV比具有柱狀組織的Cr1xSixN涂層的硬度高。間隙固溶存在一個(gè)最大固溶度，當(dāng)硅含量超過(guò)最大固溶度時(shí)，硅原子在晶界偏聚，可能以非晶或納米晶SiNy的形式存在。熱處理后，涂層主體部分仍保持多層結(jié)構(gòu)，表明涂層的物理性能沒(méi)有很大改變。與TiN相比，CrN和AlN的彈性模量較低，因此能承受較大應(yīng)變而不破裂。CrTiAlN涂層具有氮化物硬涂層的最引人注目的性能（硬度、韌性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和附著性），并且有優(yōu)異的性能。ab　cd　圖313　CrSiN涂層的TEM照片（a）明場(chǎng)像；（b）暗場(chǎng)像；（c）電子衍射花樣；（d）明場(chǎng)像放大Fig. 313　TEM micrographs form the CrSiN coating（a）Bright field image；（b）Dark field image；（c）Electronic diffraction pattern；（d）Bright field image at large magnification　討論分析，鋁含量低的Ti1xAlxN涂層為單一的立方結(jié)構(gòu)相，隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量增加，晶格常數(shù)減?。?，Ti1xAlxN涂層中出現(xiàn)較軟的六方結(jié)構(gòu)AlN相，然后隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量降低?！《嘣锿繉拥腡EM分析使用透射電子顯微鏡對(duì)CrTiAlN涂層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，由圖312可以看出，CrTiAlN涂層為致密的多晶組織，晶粒細(xì)小均勻，晶粒尺寸為30～50 nm。圖311　CrSiN涂層的X射線衍射譜Fig. 311　XRD pattern of the CrSiN coating，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)， 197。 197。 197。CrSiN涂層過(guò)渡層的沉積工藝與CrTiAlN涂層過(guò)渡層的沉積工藝相似，都是基體/Cr層/CrN層/過(guò)渡層的成分變化形式，從球坑圖可以看出，CrSiN涂層與基體之間的Cr/ μm，涂層與基體結(jié)合牢固，因此涂層的附著性優(yōu)異。圖36　TiAlN涂層的橫截面形貌與成分深度分布Fig. 36　Crosssection and elemental depth profile of the TiAlN coating圖37　CrTiAlNⅠ涂層的橫截面形貌與成分深度分布Fig. 37　Cross section a