Al呈梯度變化的CrAlSiN納米復(fù)合涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性分析

1、摘要CrAlSiN納米復(fù)合涂層具有硬度高、耐磨性好、具有良好的耐腐蝕性及高溫?zé)岱€(wěn)定性等特點(diǎn)，隨著時(shí)代的發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步，涂層的應(yīng)用越來越普 及，對(duì)涂層的研究也越來越深入。本文以CrAlSiN納米復(fù)合涂層為研究對(duì)象，探 討了 Al含量呈現(xiàn)出梯度變化的CrAlSiN納米復(fù)合涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性能。本研 究利用磁控濺射法，采用Al靶、Cr靶和Si靶在基體材料Si片上，通過改變Al 靶功率（400800W、400-1000W以及4001200W），制作出三種表面Al含量不 同的Al成分呈梯度變化的CrAlSiN納米復(fù)合涂層。利用馬弗爐對(duì)這些涂層樣片 進(jìn)行高溫加熱處理，加熱溫度選為600C、700

2、C以及800C。涂層樣片自然冷卻 后，用分析天平對(duì)這三種樣片在高溫處理之前以及之后的重量進(jìn)行測(cè)量，并使用 Wilson顯微硬度計(jì)對(duì)高溫處理之前以及之后的硬度進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算重量以及硬度 的變化，求得重量和面積的比值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:CrAlSiN納米復(fù)合涂層在800C 下仍具有較好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。關(guān)鍵詞：CrAlSiN納米復(fù)合涂層、硬度、高溫?zé)岱€(wěn)定性ABSTRACTCrAlSiN nano-composite coating has the characteristics of high hardness, good wear resistance, good corrosion resistan

3、ce and high temperature thermal stability. With the development of the times, advances in advanced manufacturing technology, the application of coatings is becoming more and more popular. The coating research is getting deeper and deeper. In this paper, the CrAlSiN nanocomposite coating was investig

4、ated, and the high-temperature thermal stability of the CrAlSiN nanocomposite coating exhibiting a gradient change in content was investigated. In this study, three different surface Al contents were produced by changing the Al target power (400800W, 4001000W, and 4001200W) by magnetron sputtering u

5、sing Al target, Cr target, and Si target on the base material sheet. The Al composition is a gradient of CrAlSiN nanocomposite coating. The samples were subjected to a high temperature heat treatment using a muffle furnace, and the heating temperatures were selected to be 600 C, 700C, and 800 C. Aft

6、er the sample was naturally cooled, the weights of the three samples before and after the high temperature treatment were measured using an analytical balance, and the hardness before and after the high temperature treatment was measured using a Wilson microhardness tester to calculate the change in

7、 weight and hardness. Get the ratio of weight to area. The experimental results show that the CrAlSiN nanocomposite coating still has good high temperature thermal stability at 800C.Keywords: CrAlSiN nanocomposite coating, hardness, high temperature thermal stability1緒論1.1硬質(zhì)涂層的發(fā)展1.1.1硬質(zhì)涂層的發(fā)展歷程現(xiàn)代制造設(shè)備

8、提出了越來越多的需求，對(duì)材料性能也會(huì)有更為嚴(yán)苛的要求， 涂層材料也得到了越來越廣泛地應(yīng)用。從全世界來看，現(xiàn)代制造技術(shù)都取得了極 大的發(fā)展以及進(jìn)步，從制造業(yè)來看，競(jìng)爭(zhēng)也越趨激烈。就切削加工工藝系統(tǒng)而言， 其中的一個(gè)重要因素?zé)o疑是刀具。金屬切削加工已越趨現(xiàn)代化，對(duì)刀具自然也就 提出了更高的要求，尤其是在切削速度高、進(jìn)給速度高、進(jìn)給量大等惡劣的工作 環(huán)境下，還能否保持高可靠性、高精度、長(zhǎng)壽命和優(yōu)良的切削控制性等性能要求， 涂層刀具的出現(xiàn)，極大的解決了此類問題。高速加工技術(shù)目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng) 用，高性能刀具已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，在高速切削刀具的制作過程中，涂層技術(shù)已 躋身于關(guān)鍵技術(shù)之列。硬質(zhì)涂層與刀具基

9、體的表面相結(jié)合，因?yàn)榛w具有良好的韌性和較高的強(qiáng) 度，硬質(zhì)涂層表面又具有較低的摩擦因數(shù)和高耐磨性，從而使刀具的各項(xiàng)性能有 顯著的提高。作用不僅僅表現(xiàn)在能讓刀具更少的磨損，同時(shí)讓刀具的耐磨性、耐 高溫氧化、抗腐蝕性、硬度和高溫?zé)岱€(wěn)定性等得到提升。正是因?yàn)橛操|(zhì)涂層表現(xiàn) 出了上述優(yōu)點(diǎn)，因而不管是基礎(chǔ)理論研究還是工程實(shí)際應(yīng)用，表面涂層技術(shù)都取 得了長(zhǎng)足的發(fā)展。在一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家，硬質(zhì)涂層應(yīng)用于刀具已經(jīng)非常普遍了。 1.2硬質(zhì)涂層的發(fā)展趨勢(shì)就現(xiàn)代金屬切削加工而言，刀具應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出如下特性：精度高、進(jìn)給量高、 使用壽命長(zhǎng)以及切削速度快（五至十倍于常規(guī)切削速度）。在金屬切削技術(shù)持續(xù) 發(fā)展的同時(shí)，尤其是新型切削

10、加工技術(shù)如高速切削和干式切削等的廣泛應(yīng)用，刀 具在切削時(shí)需要承受的不管是溫度還是切削力都有了大幅度的進(jìn)步。刀具表面也 會(huì)表現(xiàn)出越來越嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，切削刃極易出現(xiàn)變形失效的現(xiàn)象，使用壽命會(huì) 大幅縮短，所以在高溫?zé)岱€(wěn)定性上的要求也愈發(fā)的嚴(yán)苛，這時(shí)候涂層刀具應(yīng)運(yùn)而 生，讓這一要求得到了極大地滿足。20世紀(jì)七十年代，TiN涂層刀具被研發(fā)出來， 并投入了實(shí)際應(yīng)用，意味著刀具已經(jīng)邁揭開了涂層時(shí)代的序幕，涂層技術(shù)革命正 席卷而來?？蒲腥藛T歷經(jīng)數(shù)十年的研究，無論是在涂層的性能、涂層的應(yīng)用還是 涂層制備技術(shù)都有了卓越的成果。相信，通過一代又一代的科研工作者，涂層技 術(shù)的發(fā)展將是不可限量的。1.3常用涂層制備技

11、術(shù)現(xiàn)在常見的硬質(zhì)涂層制備方法有兩種，具體如下：化學(xué)氣相沉積(CVD)這種工藝指的是利用氣相物質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，讓固態(tài)薄膜能夠沉積在 基材的表面。CVD技術(shù)是最早在刀具硬質(zhì)涂層制備中得到應(yīng)用的技術(shù)之一，主 要有如下幾方面的特點(diǎn)：制備涂層時(shí)運(yùn)用到的儀器設(shè)備較為簡(jiǎn)單，易于操作以及 維護(hù)，適合復(fù)雜工件的涂覆。而且這種制備技術(shù)在沉積的時(shí)候會(huì)表現(xiàn)出非常高的 溫度，所以涂層和基體間能夠得到緊密的結(jié)合，涂層也會(huì)均勻而且致密，表現(xiàn)出 較好的黏著性，無論是結(jié)構(gòu)還是純度都能作出有效的控制。但這種工藝處理溫度 高，刀具刀柄材料極易因之而出現(xiàn)抗彎強(qiáng)度、剛度以及硬度等下降的現(xiàn)象，而且 該工藝帶來的廢氣會(huì)給環(huán)境帶來非常

12、大的污染，這些都是這種工藝的缺陷。物理氣相沉積(PVD)物理氣相沉積(PVD)是通過各種能量方式如濺射、高溫蒸發(fā)、激光束以及電 弧等將鍍膜料轉(zhuǎn)化成氣相離子、分子和原子，這里的狀態(tài)是氣態(tài)和等離子態(tài)，進(jìn) 而生成能夠沉積于基體表面的固相薄膜。常用的PVD技術(shù)有多種，比如離子鍍、 真空蒸鍍以及濺射等，基于此又有非常多的新技術(shù)被研發(fā)出來。在PVD技術(shù)持續(xù) 發(fā)展的同時(shí)，等離子體以及離子束也慢慢地被納入進(jìn)來了。目前所講的成熟PVD 技術(shù)已不單單指物理變化了，而是將PVD和CVD這兩種技術(shù)結(jié)合在一起，也正是 因?yàn)樗鼈兊慕徊嬉约叭诤希繉蛹夹g(shù)才得到了更廣闊的發(fā)展以及更深刻的變革。PVD技術(shù)制備出來的硬質(zhì)涂層表現(xiàn)

13、出了很好的耐腐蝕性、裝飾性以及耐 磨性，硬度也處于較高水平，所以廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本次研究所用CrAlSIN 納米復(fù)合涂層就是使用物理氣相沉積(PVD)中的磁控濺射法來制備的。濺射鍍膜 技術(shù)應(yīng)在真空環(huán)境下進(jìn)行，在高荷能粒子的作用下對(duì)材料表面進(jìn)行轟擊，進(jìn)而讓 其分子或者是原子逸出相應(yīng)的能量，再將鍍膜沉積于基片表面，被轟擊的材料一 般被叫做靶材。施加給靶材的一般都是負(fù)偏壓，所以濺射鍍膜也被叫做陰極濺射 鍍膜。所以，從電磁場(chǎng)來看，離子能夠被偏轉(zhuǎn)或者是被加速，進(jìn)而帶有能量，因 而離子一般被叫做荷能離子。離子所引發(fā)的濺射就被叫做離子濺射，離子束引發(fā) 的濺射就被叫做離子束濺射，在運(yùn)用濺射技術(shù)時(shí)不管是靶材

14、還是基體材料都有非 常寬的選擇范圍，燒鍍性上有較好的表現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)高熔點(diǎn)材料的沉積。 而且，不管是哪種形狀或者是哪種尺寸的工件表面都能夠沉積成膜，特別是比較 復(fù)雜以及面積比較大的工件。濺射鍍膜技術(shù)有多種優(yōu)點(diǎn)，譬如工藝有很好的重復(fù) 性，極易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。1.4硬質(zhì)涂層的分類（1）單層涂層單一固溶或者是化合物組成了單層涂層，就薄膜而言，從縱向生長(zhǎng)方向來看， 其成分是固定不變的，所以也被叫做普通涂層。結(jié)合PVD技術(shù)的發(fā)展歷程來看， 這類技術(shù)盛行于過去很長(zhǎng)的一段時(shí)間，比如眾所周知的TiN、TiCN、TiAlN涂層 等。在加工技術(shù)持續(xù)升級(jí)的同時(shí)，人們也越來越意識(shí)到該涂層所具有的局限性， 不管是薄膜

15、韌性、顯微硬度還是抗高溫性能，都是跟不上現(xiàn)有工藝的需求的，該 涂層目前還是有一定的市場(chǎng)占有率的。（2 ）多層涂層數(shù)量眾多的單層涂層構(gòu)成了多層涂層，其化學(xué)成分處于變化之中，取決于工 藝。主要可分成梯度涂層以及復(fù)合涂層這兩種。相較于單層涂層而言，這種涂層 可以讓其組織狀況得到極大的改善，對(duì)粗大晶粒來說，其生長(zhǎng)會(huì)受到抑制。納米 多層涂層是其中一種多層涂層，是由點(diǎn)陣常數(shù)、化學(xué)鍵以及原子半徑等相近的單 層材料構(gòu)成。相較于普通多層膜或者是傳統(tǒng)單層膜來說，表現(xiàn)出了超模量效應(yīng)以 及超硬度等多方面的特點(diǎn)，顯微硬度比40GPa還要大，在溫度較高的環(huán)境下，薄 膜仍舊能夠保持高硬度。就納米復(fù)合涂層來說，不管是力學(xué)性能

16、還是組織結(jié)構(gòu)都 是和制備參數(shù)以及各組成成分息息相關(guān)的，抗高溫氧化性能也能得到極大地改善， CrAlSiN和TiAlSiN都是具有代表性的納米復(fù)合涂層。1.5磁控濺射法濺射工藝指的是涂層材料因?yàn)R射而霧化，進(jìn)而在涂層表面沉積下來。用入射 離子對(duì)靶材表面進(jìn)行轟擊，致使其中的原子飛逸。表現(xiàn)出如下幾方面的特點(diǎn)：（1） 許多材料都可當(dāng)做靶材，基本上包括所有陶瓷和金屬；（2）工作參數(shù)能夠在非常 大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，容易得到不同性能的涂層；（3）工藝不復(fù)雜，使用簡(jiǎn)單的設(shè)備 即可完成。就磁控濺射而言，其基本裝置是基于射頻濺射或者是直流濺射對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn) 行改進(jìn)，一般是將永久磁鐵加裝在靶材的陰極內(nèi)側(cè)，并且讓磁場(chǎng)方向能夠

17、與陰極 暗區(qū)磁場(chǎng)方向相垂直。因而，其基本原理是：首先在磁場(chǎng)的作用下讓電子改變運(yùn) 動(dòng)方向，之后對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行束縛并加以延長(zhǎng)，讓電子對(duì)有更高的電離幾率， 讓電子能量得到更高效的使用。這樣的話，在轟擊靶材時(shí)，正離子會(huì)產(chǎn)生更為有 效的濺射。相應(yīng)地，對(duì)正交磁場(chǎng)束縛之下的電子來說，能量消耗殆盡的時(shí)候會(huì)在 基片中沉積，目的也就達(dá)到了。由實(shí)驗(yàn)可知，磁控濺射表現(xiàn)出了如下兩種的特點(diǎn)： 一是在濺射過程中溫度低，發(fā)熱量小，二是濺射這個(gè)過程是非常高速的，效率高。 上文是對(duì)基本濺射方法進(jìn)行介紹，基于此，對(duì)硬質(zhì)薄膜而言，為讓其某種性能能 夠得到改善以及提升，還提出了多種濺射方法，比如偏壓濺射，又比如離子束濺 射。就這四類

18、基本方法而言，并不是對(duì)某一種方法進(jìn)行使用，通常是把這些方法 結(jié)合在一起使用。研究人員可以根據(jù)所制備鍍膜要求，選擇最為合適的方法對(duì)薄 膜進(jìn)行制備?？偟膩碚f，其基本原理可概述如下：首先在磁場(chǎng)的作用下讓電子改 變運(yùn)動(dòng)方向，之后對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行束縛并加以延長(zhǎng)，讓電子對(duì)有更高的電離幾 率，讓電子能量得到更高效的使用。1.6高溫?zé)岱€(wěn)定性對(duì)涂層性能的影響在金屬切削加工過程中，利用刀具表面的硬質(zhì)涂層來減少摩擦、隔絕高溫， 達(dá)到順利切削，完成整個(gè)加工過程的目的。刀具在切削過程中，涂層會(huì)處于高溫 環(huán)境，這樣一來其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的改變，比如晶粒的再結(jié)晶、缺陷的回復(fù)以及 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變等，相應(yīng)地，其性能也會(huì)隨之而發(fā)生改變

19、。比如，對(duì)硬質(zhì)涂層來說， 制備時(shí)會(huì)有相應(yīng)缺陷產(chǎn)生，從而對(duì)材料變形帶來阻礙，這樣一來材料也會(huì)出現(xiàn)硬 化，所以，涂層硬度通常是比相應(yīng)塊狀材料要高的，但是在進(jìn)行熱處理的時(shí)候， 由于缺陷回復(fù)的存在增加的硬度也會(huì)隨之而消失。所以，對(duì)涂層來說，在對(duì)其性 能進(jìn)行衡量時(shí)高溫?zé)岱€(wěn)定性是其中的重要指標(biāo)之一。而且隨著高速切削技術(shù)的發(fā) 展，自然也會(huì)對(duì)切削刀具提出越趨嚴(yán)苛的要求，要想讓刀具達(dá)到高速切削，刀具 涂層是其中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。1.7主要研究?jī)?nèi)容對(duì)高功率脈沖技術(shù)以及磁控激射鍍膜技術(shù)這兩種技術(shù)的原理進(jìn)行了解，對(duì)鍍 膜之前的如何清洗予以熟悉，在進(jìn)行CrAlSiN納米復(fù)合涂層時(shí)，單獨(dú)完成鍍膜操 作，在進(jìn)行反應(yīng)沉積時(shí)，改

20、變Al靶功率，其他鍍膜工藝參數(shù)則維持原樣，沉積 于高純度單品硅片基體中的CrAlSiN納米復(fù)合涂層在Al含量上各有差異的，在 600-800C下對(duì)各涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。對(duì)測(cè)試之前和之后所有涂層的 重量用分析天平來稱重，算出所有涂層增加的重量，據(jù)此歸納出Al含量會(huì)如何 影響涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)方法2. 1實(shí)驗(yàn)材料2.1.1樣品基體材料該實(shí)驗(yàn)選取的樣品為0.28毫米的單晶硅片，有著非常高的純度，使用金剛 石刀片將其切割，使之變成大小差不多的方片。和清洗劑一起對(duì)硅片進(jìn)行超聲波 清洗，干凈之后置于真空爐轉(zhuǎn)動(dòng)架上，對(duì)其展開磁控濺射鍍膜。2.1.2實(shí)驗(yàn)靶材和氣體本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)的是磁控濺射靶材，生

21、產(chǎn)單位為廈門格雷迪科技有限公司，表 2-1詳細(xì)列示了各參數(shù)項(xiàng)。表2-1各靶材參數(shù)信息濺射靶材尺寸純度Al438x95x8mm99.99%Si上層 292x92x5.5mm，下層 300 x 100 x4.5mm99.999%Cr上層 292x92x5.5mm，下層 300 x100 x4.5mm99.95%進(jìn)行涂層制備時(shí)，選取的工作氣體是高純氬氣以及高純氮?dú)?，比例分別為 99. 99t%和99. 99wt%。氣體流量是用氣體流量計(jì)來把控的。2.2涂層的制備2. 2. 1實(shí)驗(yàn)設(shè)備磁控濺射鍍膜機(jī)在制備CrAlSiN納米復(fù)合涂層的過程中，運(yùn)用到的設(shè)備是高功率脈沖和直流 脈沖磁控濺射復(fù)合鍍膜機(jī)，該設(shè)備

22、即可制備單層膜，也可制備多層膜，包括介質(zhì) 膜、硬質(zhì)膜以及半導(dǎo)體膜，主要組成部分為加熱轉(zhuǎn)臺(tái)、磁控濺射靶、電控系統(tǒng)、 濺射室、氣路系統(tǒng)、直流脈沖電源、冷卻系統(tǒng)以及高功率脈沖電流等，鍍膜是在 計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行的。超聲波清洗儀鍍膜之前應(yīng)當(dāng)用超聲波對(duì)所有實(shí)驗(yàn)基片進(jìn)行清洗，將基片內(nèi)可能存在的各種 雜質(zhì)如油脂等予以去除，免得涂層內(nèi)會(huì)摻雜其它雜質(zhì)，不僅會(huì)對(duì)鍍膜效果帶來影 響，實(shí)驗(yàn)也有可能會(huì)不準(zhǔn)確。在進(jìn)行超聲波清洗時(shí)，還應(yīng)當(dāng)與清洗劑結(jié)合在一起 使用，比如無水乙醇、脫脂劑和超純水等，更好的清潔基片。本次實(shí)驗(yàn)利用的是 型號(hào)為BG-06C的超聲波清洗儀，生產(chǎn)單位是廣州邦潔電子產(chǎn)品有限公司。圖2-1為超聲波清洗儀。圖

23、2-1超聲波清洗儀噴砂機(jī)在鍍膜之前，應(yīng)當(dāng)將轉(zhuǎn)動(dòng)架從磁控濺射機(jī)爐中取下，將其置于噴砂機(jī)，噴砂 清洗其中的各個(gè)零件，讓其中所沉積的前一次鍍膜形成的薄膜得以清除，以免下 次鍍膜會(huì)受到雜質(zhì)的不良影響。零件進(jìn)行了噴砂處理之后還是要進(jìn)行超聲清洗的， 維持一定的清洗質(zhì)量，清洗完成以后還應(yīng)當(dāng)利用吹干機(jī)將零件吹干，并重新裝回 磁控濺射機(jī)爐中，應(yīng)確保安裝是正確的。圖2-2為噴砂機(jī)。圖2-2噴砂機(jī)2. 2. 2鍍膜基本步驟基片清洗清洗之前應(yīng)當(dāng)將各種工具準(zhǔn)備好，比如無水乙醇、鑷子、超聲波清洗機(jī)、 密封袋、脫脂劑、醫(yī)用棉棒以及清洗皿等。清洗時(shí)需要注意的是，應(yīng)當(dāng)戴好口罩 以及一次性手套，避免對(duì)基片帶來污染。清洗之前應(yīng)當(dāng)將

24、附著于樣片的各類雜質(zhì)清除掉。之后把樣片的較于粗糙 的表面也就是正面向上，置于清洗皿內(nèi)。需要注意的是，樣片不可疊加擺放，避 免劃傷基片表面。將清洗皿放在通風(fēng)柜中，向超聲波清洗機(jī)中倒入清水，使得清水沒過網(wǎng) 籃2-3cm。然后在清洗皿中加入超純水和脫脂劑，并且使得混合液能夠沒過基片。 最后把清洗皿放在清洗機(jī)中，使得清洗皿漂浮在網(wǎng)籃上面的2cm左右，最后將 清洗機(jī)蓋上，將電源接通，將清洗機(jī)打開，設(shè)置清洗溫度為25C，設(shè)置時(shí)間為 15min，設(shè)置清洗次數(shù)為兩次。清洗完成后，關(guān)閉清洗機(jī)，取出清洗皿，倒出其中的液體。先用超純水 沖洗干凈。首先將清洗皿拿出來，并且倒掉里面的液體，用鑷子取出所有的基片， 然后用

25、吹干機(jī)逐一吹干所有的樣片，此處要注意不能劃傷或損傷基片的表面。首先把吹干之后的基片逐一放置于另一個(gè)干凈的清洗皿中，注意不能重 疊，并且在其中倒入無水乙醇，使得無水乙醇的高度大于基片，同時(shí)為了降低乙 醇揮發(fā)的速度，在清洗皿中放置玻璃罩。然后將蓋好的清洗皿放在超聲波清洗機(jī) 內(nèi)，讓它漂浮在清洗機(jī)工作網(wǎng)籃上的2cm左右，最后將清洗機(jī)蓋好，接通電源， 將溫度調(diào)到25C，并且清洗十五分鐘。首先將清洗皿拿出來，用鑷子逐一取出基片，并且用吹風(fēng)機(jī)逐一吹干， 然后用醫(yī)用棉棒沾上乙醇從一個(gè)方向擦基片，在這個(gè)過程中要一直注意看基片的 表面，看基片的表面是不是在有雜質(zhì)，如果有雜質(zhì)就要再次清洗。首先將清洗完畢的基片放在有

26、防潮功能的蠟紙內(nèi)，然后密封，等著鍍膜。 在清洗完基片以后要將無水乙醇回收。其它器材的清洗首先把磁控濺射機(jī)真空室里面的鋼板以及轉(zhuǎn)動(dòng)架拿出，利用噴砂機(jī)來清洗干 凈表面存在的雜質(zhì)，然后把清洗完成的鋼板放到超聲波清洗機(jī)內(nèi)，并且加自來水， 控制溫度為25C，清洗十五分鐘后取出鋼板用吹風(fēng)機(jī)吹干。在完成清洗之后，將電源關(guān)閉，并且擺放好各個(gè)清洗儀器。在清洗過程中需 要注意的有：在工作過程中，超聲波清洗機(jī)內(nèi)的液體溫度會(huì)改變，因此要保證溫度不超過 60C，這個(gè)型號(hào)是小型的超聲清洗機(jī)，機(jī)內(nèi)的液體如果未高于2/3不能加熱，同 時(shí)液體要高于5cm。另外還要保證超聲清洗機(jī)內(nèi)槽溶液不能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于 80C以上的溫度，否

27、則容易降低超聲清洗機(jī)的使用壽命，因此在使用過程中應(yīng)該 正確的使用各種化學(xué)制劑。鍍膜首先將儀器的總電源、顯示屏控制電源打開，然后打開冷卻機(jī)，將急停 按鈕旋開，按一下開啟顯示屏的按鈕，就會(huì)進(jìn)入操作系統(tǒng)，最后將水路循環(huán)系統(tǒng) 打開。煉靶。首先停止公轉(zhuǎn)架的正轉(zhuǎn)，將混氣罐打開并且沖入200sccm的氬氣， 把節(jié)流閥設(shè)置為零度。然后開啟Al靶，并且將它的功率設(shè)置為400W，在煉靶 兩分鐘之后就打開Si靶，關(guān)閉Al靶，并且將它的功率設(shè)置為600W。在煉靶兩 分鐘之后就打開Cr靶，關(guān)閉Si靶，并且將它的功率設(shè)置為1000W，最后在煉靶 兩分鐘之后就關(guān)閉Cr靶，并且關(guān)閉混氣罐，從而使得公轉(zhuǎn)架正轉(zhuǎn)，同時(shí)將真空 抽至

28、 2X10-3Pa。在鋼板上用螺釘將洗干凈的基片固定，值得注意的是不能用太大的夾緊 力，否則容易劃傷基片的表面，在安裝完成基片之后，要用醫(yī)用的棉棒沾上無水 乙醇來拭擦基片，從而保證基片表面的清潔。在真空室里放置清洗干凈的轉(zhuǎn)動(dòng)架，并且利用吸塵器將真空室內(nèi)環(huán)境清 洗干凈，在檢查室內(nèi)情況以后，通過對(duì)鋼板懸掛的高度進(jìn)行調(diào)整，使得它的高度 和靶材一致，然后保證轉(zhuǎn)動(dòng)架可以毫無阻擋的旋轉(zhuǎn)一周以后，測(cè)量出基片與靶材 之間的距離，并且將爐門關(guān)閉。抽真空。粗略的將壓強(qiáng)抽到3.0Pa，首先在分子泵速度最大時(shí)，將精抽 打開，并且關(guān)閉粗抽閥門，然后使得壓強(qiáng)為1.2X10-4pa，并且讓旋轉(zhuǎn)架保持30Hz 的正轉(zhuǎn)速度，然

29、后把爐內(nèi)的溫度加熱到300C，如果達(dá)到450C就會(huì)報(bào)警，因?yàn)?隨著溫度的變化，室內(nèi)的壓強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化，所以要開放精抽閥門，使得室內(nèi)的 壓強(qiáng)處于1. 2X 10-4pa。輝光放電。首先將混氣罐的開關(guān)打開，并且沖入200sccm氬氣，在真空 室內(nèi)的壓強(qiáng)為1.5Pa的時(shí)候，將偏壓開關(guān)打開，同時(shí)把偏壓調(diào)到-800V，把節(jié)流 閥調(diào)到20度。然后執(zhí)行輝光放電20分鐘，并且在這個(gè)過程中要一直盯著偏流示 數(shù)，如果設(shè)備發(fā)出了警報(bào)就要立刻將偏壓關(guān)閉，從而保證偏壓系統(tǒng)不被損壞。轟擊清洗。首先將Al、Cr、Si這三個(gè)靶分別打開，然后將功率分別調(diào)至 400 W、1000W、600W。然后執(zhí)行兩分鐘的轟擊清洗，并將Cr靶

30、的各項(xiàng)參數(shù)記 錄下來為560V、160Hz、100nn。最后將偏壓調(diào)到-800V，執(zhí)行兩分鐘的轟擊之 后，將偏壓調(diào)到，600V、-400V、-200V、-60V對(duì)Al、Cr、Si這三個(gè)靶分別轟擊 兩分鐘，在轟擊完成之后再調(diào)節(jié)過渡層。鍍過渡層。首先把偏壓調(diào)到-60V轟擊清洗兩分鐘，并且沖入140sccm的氬氣，將Cr靶打開，同時(shí)把功率調(diào)到1000W,并將Cr靶的各項(xiàng)參數(shù)記錄下來為 610V、1.82.0A、160Hz、100nn。最后在十五分鐘以后，將節(jié)流閥調(diào)到45度，此時(shí)工作的壓強(qiáng)是0. 5Pa, Cr靶也滿足了 1000W的設(shè)定值。涂層沉積。首先沉積壓強(qiáng)是0. 5Pa，先沖入94sccm氮?dú)?/p>

31、以及47sccm氬 氣，并且將節(jié)流閥調(diào)到35度，將鍍膜調(diào)到180分鐘，然后將Al靶的功率調(diào)到 400W，Si靶的功率調(diào)到600W，Cr靶的功率調(diào)到1000W，同時(shí)保證每個(gè)靶的靶 距分別為Al靶50mm、Cr靶70mm、Si靶50mm。鍍膜結(jié)束后，首先將偏壓關(guān)閉，將三個(gè)靶都關(guān)閉，將加熱系統(tǒng)關(guān)閉，將 混氣罐關(guān)閉，原則是先關(guān)大的后關(guān)小的，慢慢的關(guān)停。等到溫度低于40C，大 概需要三個(gè)小時(shí)，將分子泵關(guān)閉，從而停止抽取真空。然后將機(jī)械泵、設(shè)備電泵、 控制系統(tǒng)等關(guān)閉，再將真空腔打開，從而取出樣品。最后把鍍膜之后的樣品放到 樣品袋子中編號(hào)保存到樣品盒子中，等待今后的測(cè)試。同時(shí)將總電源關(guān)閉，保證 各個(gè)閥門關(guān)閉

32、。此處需要注意的是在鍍膜的過程中要防護(hù)，佩戴一次性手套以及 口罩。4、通過上述方法以及改變Al靶的功率來制作含鋁量不相同的樣片，并且用 標(biāo)簽紙一一記錄樣片，而且在試驗(yàn)之前對(duì)其稱重。CrAlSiN涂層的沉積工藝參數(shù)參數(shù)數(shù)值氬氣量47sccm氮?dú)饬?4sccm本底真空1.2XPa工作壓強(qiáng)0. 5Pa沉積溫度300 C轉(zhuǎn)速30HzAl靶功率400800W、4001000W、4O01200WSi靶功率600WCr靶功率1000WAl靶靶基距50mmSi靶靶基距50mmCr靶靶基距70mm2. 3高溫加熱處理2. 3. 1高溫加熱處理設(shè)備在本實(shí)驗(yàn)中采用了馬弗爐來進(jìn)行高溫加熱。在國(guó)內(nèi)馬弗爐也稱之為電阻爐、

33、 電爐，依據(jù)外觀形狀的不同可分為箱式爐、管式爐、坩蝸爐。廣泛的應(yīng)用于熱加 工、醫(yī)藥行業(yè)、分析化學(xué)等領(lǐng)域。2.3.2 高溫加熱處理高溫加熱處理所用設(shè)備除馬弗爐外，還需用坩蝸裝載樣片。坩蝸的規(guī)格型號(hào) 較多，在實(shí)際應(yīng)用中不受規(guī)模和熔煉物質(zhì)種類的限制，可根據(jù)需求選擇，適用性 強(qiáng)，能夠保證在其中熔煉物質(zhì)的純度。本次實(shí)驗(yàn)所用坩蝸型號(hào)是A12O3型（如圖 2-3），這型坩蝸是利用微末冶金技術(shù)制成的，其特點(diǎn)是表面有氣孔，在高溫下具 有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。圖2-3 A12O3型坩蝸在實(shí)驗(yàn)前，要先用清水沖洗坩蝸，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干。再用酒精擦拭一遍， 最后吹干待用。因?yàn)樵谥圃燠嵛仌r(shí)，表面的孔會(huì)混有雜質(zhì)和水。所以為了

34、有效的 避免雜質(zhì)在高溫下和樣片上的涂層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就要先將坩蝸烘干，從而除去 雜質(zhì)與水。本次實(shí)驗(yàn)，分別把樣片放入馬弗爐中，溫度為600C，700C，800C。在爐 中需保溫兩個(gè)小時(shí)，之后取出自然冷卻。2. 4樣品稱重本文采用了 BSA2245S-CW型分析天平（如圖2-4）來對(duì)樣品進(jìn)行稱重，它的測(cè)量精度高達(dá)0.001mg。分別對(duì)不同Al含量的三組CrAlSiN納米復(fù)合涂層進(jìn) 行稱重以及測(cè)量它們的面積。把樣片放置于試驗(yàn)臺(tái)，然后使用尺子來測(cè)量其長(zhǎng)度和寬度，每個(gè)樣片都測(cè)量 五次，分別計(jì)算面積，然后取五次的平均值作為最后的結(jié)果，數(shù)據(jù)如表2-3。注 意只測(cè)量基片上涂層的面積。下一步稱重，將樣片放在稱重

35、機(jī)上稱重，取五次稱 重的平局值，數(shù)據(jù)如2-4。稱重在高溫加熱處理后要再進(jìn)行一次。圖2-4 BSA2245S-CW型分析天平表2-3 CrAlSiN納米復(fù)合涂層高溫處理前面積Al靶功率（W）測(cè)量面積/mm 240080091.84001000105. 454001200111.3表2-4 CrAlSiN納米復(fù)合涂層高溫處理前重量Al靶功率（W）重量測(cè)量數(shù)據(jù)/X 10-2 g平均值/X 10-2g40080011. 0510. 9410. 9910. 9510. 9410. 974400100012. 9312. 8312. 9713.0112. 9312.934400120013.5213.56

36、13.5113.5113.5213. 5242. 5測(cè)量樣片硬度在本次試驗(yàn)中采用了 Wilson硬度計(jì)來測(cè)量實(shí)驗(yàn)中樣品的硬度。根據(jù)硬度計(jì) 的說明書打開硬度計(jì)，然后調(diào)節(jié)相關(guān)的參數(shù)，在本測(cè)試中參數(shù)分別是：保壓等于 10s，加載等于0. 025N。每個(gè)樣片需測(cè)量5次，取其平均值，數(shù)據(jù)如表2-5。在 高溫加熱處理后，硬度測(cè)試也需再進(jìn)行一次。表2-5 CrAlSiN納米復(fù)合涂層高溫處理前硬度Al靶功率（W）硬度測(cè)試數(shù)據(jù)/HV平均值/HV4008001759186319682117191319244001000205921341985223322742137400120025192677253521512

37、5232481CrAlSiN納米復(fù)合涂層高溫處理后高溫?zé)岱€(wěn)定性分析3.1高溫處理后CrAlSiN納米復(fù)合涂層單位面積重量面積變化分析表3-1是經(jīng)過高溫處理之后CrAlSiN納米復(fù)合涂層的重量，表中 M為樣片 在高溫處理前后的差值。在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，由于各樣片的面積不同，重量不同，如果僅僅分析 M就不能很精確的展示出樣本在加熱前后的變化有怎樣的規(guī)律。因此需要引 入另外一個(gè)參數(shù)，也就是單位重量的變化值。 C=A M/S式中C指的是樣本的單位面積重量的變化值；M指的是樣片在加熱之后和加熱之前兩種狀態(tài)的重量差；S指的是樣片的表面積。表3-1列出了 Al靶功率不同的CrAlSiN涂層在600C、70

38、0C、800C高溫 熱處理后單位面積重量的數(shù)據(jù)變化，結(jié)合柱狀圖下面具體分析。如圖3-1為600C高溫處理后單位面積重量變化柱狀圖?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著Al 靶功率的升高，雖然涂層增重程度不同，但涂層還是呈現(xiàn)增重趨勢(shì)。其中Al靶 功率為400-1200W時(shí)增重最多，為2.33x10-3g/mm2。Al靶功率為400-1000W時(shí) 增重最少，為2.33x10-3 g/mm2。增重原因主要是：涂層中的Al、Si、Cr與氧氣 反應(yīng)，生成Al2O3、SiO2、Cr2O3等氧化物。而且，Al相對(duì)于Si、Gr等其它元素 更容易被氧化，所以生成Al2O3會(huì)更多，進(jìn)而造成涂層的增重。如圖3-2為700C高溫處理后單位面

39、積重量變化柱狀圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，情況相 對(duì)于600C時(shí)稍有不同。涂層整體還在增重，隨著Al靶功率的升高，涂層的增 重呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。Al靶功率為4001200W時(shí)增重最少，為3.67x10-3g/mm2， Al靶功率為400800W時(shí)增重最多，為5.34x103g/mm2。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主 要是：在高溫環(huán)境中，氧化初期Al與氧的反應(yīng)速率加快，生成的Al2O3更多。 而Al2O3會(huì)在涂層表面形成一層致密的氧化膜，這層膜能夠降低氧氣向涂層內(nèi)擴(kuò) 散，減緩了氧化速率，起到保護(hù)涂層的作用。并且延緩了其它元素的氧化，進(jìn)而 造成涂層增重的減緩。如圖3-3,為800C高溫處理后單位面積重量變化柱狀圖。當(dāng)溫度

40、上升到800C 時(shí)，情況是完全不同的。在這一溫度下，隨著Al靶功率的升高，涂層在Al靶功 率為400800W時(shí)減重最多，達(dá)到了 2.81x10-3g/mm2。Al靶功率為400-1000W 時(shí)也出現(xiàn)了減重，達(dá)到了 0.53x10-3g/mm2。只有Al靶功率為4001200W時(shí)，出 現(xiàn)小幅度的增重。涂層雖然在Al靶功率為400-1200W時(shí)增重，但整體減重趨勢(shì) 明顯。減重主要原因：一是過高的溫度會(huì)使氧化反應(yīng)加劇，從而使CrN生成大 量的N2。當(dāng)氣體揮發(fā)后，涂層表面會(huì)產(chǎn)生孔洞。二是在生成Al2O3等氧化物的 過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致涂層剝落。而Al靶功率為4001200W時(shí)小幅度增重的 原因是Al

41、含量越高，它的抗氧化性能好，生成的氧化物也越少。所以涂層的剝 落少，沒有像其它兩種Al含量不同的涂層出現(xiàn)減重。綜上所述，隨著Al靶功率的提升，CrAlSiN納米復(fù)合涂層中Al含量越高， 涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性能越好。表3-1 CrAlSiN涂層高溫處理后的重量、重量變化及單位面積重量變化值A(chǔ)l靶功率（W）高溫加熱處理溫度重量測(cè)量數(shù)據(jù)/ X 10-2 g平均值/X10-2 gM/gC(X 10-3g/mm2)400800600 C11.0111.2411. 1710. 9811.5411. 188+0. 214+2.33700 C11.5911.4511.4111.6011.2711.464+0.

42、49+5.34800 C10.8511.0610.7310.7510.1910.716-0. 258-2.814001000600 C13.7312.8412.7112. 7313.8313. 168+0. 234+2.22700 C13.5313.0112. 9813.2813.9813.356+0. 422+4.00800 C12. 8513.6112. 6412. 1313.1612. 878-0. 056-0.534001200600 C13.9613.3213.4114. 0114.3113.802+0. 278+2.50700 C13. 8513. 8113.9913.9214.0

43、913.932+0. 408+3.67800 C13.5313.5213.4913.5213.6113.534+0. 01+0.09圖3-1 CrAlSiN納米復(fù)合涂層600C下單位面積重量變化柱狀圖圖3-2 CrAlSiN納米復(fù)合涂層700C下單位面積重量變化柱狀圖圖3-3 CrAlSiN納米復(fù)合涂層800 C下單位面積重量變化柱狀圖3.2高溫加熱處理后涂層硬度變化分析首先說明，在800C下涂層剝落嚴(yán)重（如圖3-1）,已經(jīng)不能準(zhǔn)確的測(cè)出其硬 度值，所以這里只分析600C與700C高溫處理后的硬度測(cè)試數(shù)據(jù)（表3-1）。下 面結(jié)合柱狀圖具體分析。如圖3-2是CrAlSiN納米復(fù)合涂層600C高溫

44、處理前后硬度對(duì)比柱狀圖。在 涂層高溫處理后，硬度都有下降，但下降幅度不大。Al靶功率為400800W時(shí)， 下降最多，達(dá)到了 9%。Al靶功率為400-1200W時(shí)下降最少，下降了 5%。硬度 下降的主要原因：一是涂層在高溫下氧化，生成Al2O3、SiO2、Cr2O3等氧化物； 二是隨著溫度的升高，涂層氧化生成Al2O3過程中產(chǎn)生的應(yīng)力得到了釋放。如圖3-3是CrAlSiN納米復(fù)合涂層700C高溫處理前后硬度對(duì)比柱狀圖。在 涂層高溫處理后，硬度都有大幅下降。Al靶功率為400800W時(shí)，下降最多， 達(dá)到了 26%。雖然Al靶功率為4001200W時(shí)下降最少，但也下降了 15%。硬 度下降的主要原

45、因與600C下硬度下降原因類似，隨著溫度的進(jìn)一步升高。涂層的氧化反應(yīng)加劇，生成A12O3速率加快，造成了硬度的持續(xù)降低。如圖3-4是CrAlSiN納米復(fù)合涂層高溫處理后硬度變化柱狀圖?？梢园l(fā)現(xiàn)隨 著A1靶功率的升高，涂層中A1含量的增多。涂層的硬度下降幅度越小，涂層的 熱穩(wěn)定也越好。綜上表明了 A1含量越高，CrAlSiN納米復(fù)合涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性越好。圖3-1表3-1 CrAlSiN納米復(fù)合涂層高溫處理后硬度測(cè)試數(shù)據(jù)A1靶功率（W）高溫加熱溫度硬度測(cè)試數(shù)據(jù)平均值/HV400800600 C164717751853163718381750700 C12891485135214651494141

46、74001000600 C231718851875199118571985700 C1535171618531794172717254001200600 C212725712379199227162357700 C2146221620511811195120953000圖3-2 CrAlSiN納米復(fù)合涂層600C高溫處理前后硬度對(duì)比柱狀圖3000圖3-3 CrAlSiN納米復(fù)合涂層700C高溫處理前后硬度對(duì)比柱狀圖圖3-4CrAlSiN納米復(fù)合涂層高溫處理后硬度變化柱狀圖3.3結(jié)論通過實(shí)驗(yàn)，分析圖表數(shù)據(jù)后可以發(fā)現(xiàn)在600C、700C高溫加熱處理后，涂層的單位面積重量呈增重的趨勢(shì)。增重原因主要是

47、：涂層中的Al、Si、Cr氧化， 生成Al2O3、SiO2、Cr2O3等氧化物。因Al更容易被氧化，所以生成Al2O3會(huì)更 多，進(jìn)而造成涂層的增重。在800C高溫加熱處理后涂層的單位面積重量呈減重 的趨勢(shì)。減重的主要原因是：溫度過高會(huì)使氧化反應(yīng)加劇，從而使CrN生成大 量的N2。當(dāng)氣體揮發(fā)后，涂層表面會(huì)產(chǎn)生孔洞。二是在生成A12O3等氧化物的 過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致涂層剝落造成重量下降。CrAlSiN納米復(fù)合涂層高溫處理前具有良好的力學(xué)性能和較高的硬度。而在 高溫處理后，涂層的硬度開始下降。主要原因：一是高溫下涂層氧化過程中產(chǎn)生 的應(yīng)力得到了釋放:二是涂層與氧反應(yīng)，生成A12O3、SiO2、C

48、r2O3等氧化物，涂 層表面會(huì)出裂紋等缺陷。這些問題造成涂層整體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，失去了穩(wěn)定性， 使得涂層的硬度指降低。綜上所述，A1含量越高，CrAlSiN納米復(fù)合涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性越好。全文總結(jié)本篇論文研究了 Al含量呈梯度變化下的CrAlSiN納米復(fù)合涂層的高溫?zé)?穩(wěn)定性。首先通過查閱大量文獻(xiàn)、資料對(duì)CrAlSiN納米復(fù)合涂層初步的了解，明 確研究課題，接受實(shí)驗(yàn)操作培訓(xùn)。然后，跟隨老師做實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn) 過程是利用磁控濺射法，改變Al靶功率制備出Al含量不同的CrAlSiN納米復(fù)合 涂層樣片。將制備好的樣片放入馬弗爐中，在600C、700C、800C下進(jìn)行高溫 加熱處理。待樣片冷卻

49、后，稱重、測(cè)試硬度，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。最后，實(shí)驗(yàn)完成后， 對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。樣片在800C高溫處理后，涂層剝落嚴(yán)重，硬度測(cè)試只 測(cè)試了其余兩個(gè)溫度下的數(shù)據(jù)。通過高溫處理前的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著 Al靶功率的提高，涂層中Al含量的增多，其高溫?zé)岱€(wěn)定性也是不一樣的。Al 靶功率為400-1200W時(shí)，相對(duì)比其它兩組涂層，單位面積重量即使在800C高 溫，也沒有出現(xiàn)減重，硬度也是下降幅度最小的。表現(xiàn)出了較好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。通過本次研究可以的得出的結(jié)論如下：CrAlSiN納米復(fù)合涂層中Al的含量 的高低，對(duì)涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性都有影響。Al含量越高，CrAlSiN納米復(fù)合涂層 高溫?zé)岱€(wěn)定性能越好。

50、其中，Al靶功率1200W下制備的涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性表 現(xiàn)最好。參考文獻(xiàn)Wei-Yu Ho, Yen-Sho Chang et al. Evaluation of Cathodic Arc Deposited Thick CrAlSiN Coatings by Erosion Test J. Ming Dao University, 2015, 0426.樓白楊，周燕.CrTiAlN涂層的高溫抗氧化性能J.材料科學(xué)與工程學(xué) 報(bào).2016，34（2）:204-207.鄭康培.CrAlN基單層及納米多層涂層的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及超硬效應(yīng)研 究D.上海：上海理工大學(xué)，2010.侯凱.磁控濺射制備一涂層及其本征、力學(xué)與高溫氧化性能研究D.哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)，2008.宣天鵬.材料表面功能鍍覆層及其應(yīng)用M.