Ti-Al-Si-N 多层梯度涂层的微观结构 及力学性能研究

吴雁，王冰，肖礼军，王犁，张而耕，陈强，黄彪

（上海应用技术大学 上海物理气相沉积（PVD）超硬涂层及装备工程技术研究中心，上海 201418）

涂层的性能与其结构和成分密切相关，在现有传统涂层中添加其他合金元素或者采用新型的涂层结构，均能有效地改善涂层的性能[1-4]。随着Si 或Al元素的加入，TiAlN 或TiSiN 三元涂层内部产生了新的物相，形成的TiAlSiN 四元涂层极大提高了涂层原有的性能。但是随着切削加工要求的不断提高，TiAlSiN 涂层单层问题与工业化需求的矛盾愈发不可调节，且其韧性低和基体结合差[5-8]的问题依然限制涂层的发展，研究人员经常通过增加涂层的层数[8-9]去改善涂层性能。TiAlSiN 多层涂层的韧性和结合强度相较单层TiAlSiN 涂层有一定程度的提升。相较于单层的TiN 和TiAlN 涂层，TiAlSiN/TiSiN/TiAlN 多层涂层的耐磨性和刀具寿命至少提高1.2 倍。涂层朝着多元多层化发展的同时，研究者对涂层微结构特征的研究也越发深入。比如纳米多层涂层中A、B 调制层相互交替沉积的结构，使得先沉积层的晶体[10-12]会对后沉积层的晶格常数和晶格结构产生显著的影响，同时对降低纳米多层涂层间的界面能，改善涂层力学性能也有重大的作用。此外，多层梯度涂层具有非均匀分布特点的梯度结构引入材料微结构中，使得提升材料强度的同时，保持其原有塑性性能成为可能，同时也能显著提高膜基结合力。常见的如TiN 梯度涂层结构，加入Ti 过渡层，形成了Ti/TiN 梯度结构。Ti 层与TiN 层中的N 有很强的键合作用[13]，增加了涂层的结合力，提高了工业实用性。……