涂層結構對Ti-Al-N涂層氧化行為的影響

　　采用多弧離子鍍技術(shù)及TiAl 合金靶, 在SKH51 高速鋼基體上沉積了Ti1- xAlxN 單層構型涂層和TiN/Ti1- xAlxN 復合多層構型涂層, 分析其高溫氧化行為。用掃描電鏡、X 射線(xiàn)衍射、電子探針等手段表征了涂層氧化后的組織結構和元素分布。試驗發(fā)現, 基體Fe 元素擴散到涂層表面意味著(zhù)SKH51 涂層試樣劇烈氧化階段的開(kāi)始。當涂層的構型相同時(shí), 涂層的抗氧化性能隨著(zhù)涂層中鋁含量增加而單調增加。但對于TiN/Ti0.33Al0.67N 復合多層構型涂層, 其抗氧化性則比Ti0.33Al0.67N 單層構型涂層差, 高于鋁含量基本相同的Ti0.67Al0.33N 單層構型涂層�？諝庵�800℃恒溫退火, TiN/ Ti0.33Al0.67N 涂層出現嚴重氧化的時(shí)間是43 h, Ti0.33Al0.67N、Ti0.67Al0.33N 涂層分別為53 h 和11 h。因此, 真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為T(mén)i-Al-N涂層的抗氧化性不僅同涂層中鋁含量有關(guān), 涂層構型也起著(zhù)重要用。

　　因為具有硬度高、耐磨性好、抗高溫氧化的特點(diǎn),Ti-Al-N PVD 涂層廣泛應用于機械制造、航空發(fā)動(dòng)機等領(lǐng)域。在先進(jìn)制造領(lǐng)域, 為實(shí)現精密及環(huán)保加工, 不僅要求工模具涂層具有高硬度、高膜基結合力, 還需要具有高的熱穩定性和抗氧化性。涂層結構的多層化、多元化及納米復合多層化是改善涂層-基體結合力及抗高溫氧化性的重要方法 。

　　物理氣相沉積(PVD) 涂層氧化的本質(zhì)是氧元素向內擴散, 以及涂層、基體元素向外擴散。涂層成分、涂層構型設計, 甚至涂層的制備方法均影響著(zhù)各種元素的擴散規律及涂層的耐氧化性。Ti-Al-N三元單層構型涂層中的鋁含量增加可以提高涂層的抗氧化性。已有研究結果表明離子鍍Ti-Al-N涂層的表面氧化首先開(kāi)始于局部缺陷, 當基體元素擴散到氧化層表面時(shí), 涂層失去氧化保護功能。同單層構型TiAlN 涂層比較, 磁控濺射制備的TiN/TiAlN 復合多層構型涂層經(jīng)800 ℃ 退火后表面氧化層厚度明顯變薄。那么, 是鋁含量還是涂層構型在離子鍍Ti-Al-N涂層抗氧化性能中起著(zhù)主要的影響作用?

　　本文采用多弧離子鍍技術(shù)在SKH51 工具鋼表面制備了兩種不同構型的Ti-Al-N涂層, 即單層構型TiAlN 和復合多層構型TiN/TiAlN, 研究了基體元素Fe 在兩種構型中的擴散行為, 從而分析Ti-Al-N涂層的構型對高溫氧化行為影響的機理。

　　(1)Ti-Al-N單層構型涂層發(fā)生1 h 嚴重氧化的溫度隨著(zhù)涂層中鋁含量的增加而單調增加。TiN 涂層的1 h 嚴重氧化起始溫度約450℃ , 而Ti0.33Al0.67N單層構型涂層的1 h 嚴重氧化起始溫度約900℃ 。

　　(2) 800 ℃恒溫氧化時(shí), 不管是單層構型涂層還是多層構型涂層, 氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)明顯分為兩個(gè)階段, 即緩慢氧化和快速劇烈氧化。劇烈氧化的起始時(shí)間隨著(zhù)涂層中鋁含量增加而單調增加。當Ti1-xAlxN亞層的鋁含量相同時(shí), 則單層構型涂層的抗氧化性?xún)?yōu)于多層構型涂層; 如涂層中總體鋁含量相同, 多層構型涂層的抗氧化性?xún)?yōu)于單層構型涂層。

　　(3) SKH51 表面離子鍍Ti-Al-N涂層時(shí), 基體Fe元素擴散穿透Ti0.33Al0.67N 單層構型涂層需要的退火時(shí)間超過(guò)53 h; 但對于復合多層構型涂層TiN/Ti0.33Al0.67N, 僅需43 h。劇烈氧化階段的開(kāi)始同基體Fe 元素擴散到涂層表面密切相關(guān)。