Page 82 - 《摩擦学学报》2020年第5期

第 5 期 王泽勇, 等: 微量Ag元素对TiAlN涂层摩擦学性能的影响 637

粒不但会影响涂层的光泽，而且还会影响涂层的质 导致涂层内部晶体缺陷浓度增加，同时涂层内部微观
量，可导致涂层的总体性能下降 [17-18] . TiAlAgN涂层表 残余内应力增加，最终导致衍射峰变宽.
面的熔滴数量多于TiAlN涂层，且溶滴尺寸较大，这是 2.3 涂层的硬度

因为单质Ag比较稳定，沉积过程中不与N原子结合， 表2为TiAlN、TiAlAgN涂层的硬度数值. TiAlN与
合金靶中激发出来的Ag原子在涂层表面迁移并且形 不同Ag含量的TiAlAgN涂层的硬度分别为HV 2 049.4、
0.2
[19]
核长大，促进了涂层表面的熔滴形成 . 从截面形貌 HV 1 672.9、HV 1 398.5，当涂层中的软金属Ag含
0.2
0.2
图[图1(b)、(d)、(f)]可以看到三种涂层的晶粒均以典型 量在增加，涂层的硬度下降.
的柱状晶方式生长，并且TiAlAgN要比TiAlN涂层更 2.4 涂层的摩擦学性能
加致密，这说明掺入的Ag元素能够在一定程度上阻碍 图3为TiAlN、TiAlAgN涂层在不同温度下的摩擦
[20]
TiN晶粒生长 . 三种涂层的厚度分别为4.18、5.31和 系数曲线和磨损率. 室温条件下，磨损初期参与减磨
4.69 μm，可以发现TiAlAgN(0.12%Ag)涂层的厚度明 的为少量的Al O ，随着磨损的不断进行，磨痕区域温
2
3
显高于其他两种涂层. 这是由于沉积过程中产生的大 度增加，大量O渗入导致涂层表面凝结1层Al O 薄膜
2
3
对涂层有保护作用，造成摩擦系数波动并最终稳定在
熔滴贯穿整个涂层，从而导致涂层厚度增加.
2.2 涂层相结构 0.3左右. 生成的Al O 膜阻止了氧气渗入，涂层的结构
3
2
−3
3
图2为TiAlN与TiAlAgN(0.30%Ag)涂层的XRD图 难以被破坏，此时磨损率较低，为0.016 8×10 mm /(Nm).
200 ℃下起始摩擦系数0.58左右，磨损时间为5 min时
谱. 由于TiAlAgN(0.12%Ag)涂层的Ag含量太少，低于
摩擦系数突然降低到0.35左右. 这是由于此时温度较
XRD的检测范围，无法测量，因而在文中没有给出. 经
高，炉内空气干燥，磨损过程中产生的磨屑不能及时
分析可知，两种涂层的衍射峰位都对应于面心立方的
[22]
排出 ，导致摩擦系数呈现台阶式变化. 此外，由于硬
TiN，TiAlN涂层择优取向为N(111)面，但是随着Ag元
度较高的磨屑参与磨损，加速了涂层的损坏，所以此
素的掺入TiAlAgN(0.30%Ag)涂层的择优取向变为了
−3
时的磨损率为0.037 1×10 mm /(Nm)，高于室温条件
3
N(220)面. 并且图2中的衍射峰相对于标准的TiN卡片
下. 400 ℃时的摩擦系数基本稳定在0.5左右，这是由
强度变低变宽了，一方面是由于Ag的引入使晶粒更加
于高温下涂层中的Al、Ti元素被氧化，生成Al O 和
3
2
[21]
细化，排列更加无序化 ；另一方面可能由于电弧离
TiO 2 [23] 参与润滑，导致摩擦系数下降，此时磨损率为
子镀工艺中，在−600 V偏压下，涂层表面原子在经受
3
−3
0.012 9×10 mm /(Nm)；600 ℃时起始摩擦系数稳定
后续成膜阴极靶材离子和Ar离子的高能轰击之后，易
在0.75左右，并最终稳定0.5左右. 随着磨损的进行，磨
TiAlAgN (5%Ag) N(111) A(102) N(200) N(220) N: TiN 痕区域温度不断升高，生成了大量的Al O 和TiO ，高
3
2
2
A: Ag
3
−3
温下涂层进一步变软，此时磨损体积为0.019 7×0 mm /
S: substrate
Intensity/a.u. TiAlN S A(004) (Nm). 从图3可见室温时TiAlAgN(0.12%Ag)涂层的摩擦
系数比较稳定，在经历磨合期之后保持在0.54左右. 结
合图4~5，磨痕区域聚集了少量的Al O 和Ag，涂层质
3
2
地变软，所以磨损率要大于同等温度条件下的TiAlN
涂层，为0.021 8×10 mm /(Nm). 200 ℃的摩擦系数波
−3
3
20 30 40 50 60 70 80
2θ/(°) 动较大，但是总体稳定在0.45左右，低于室温时的数
Fig. 2 XRD patterns of TiAlN and TiAlAgN coatings 值. 这是因为此时磨痕周围空气较为干燥，磨损产生
图 2 TiAlN与TiAlAgN涂层的XRD图谱 的磨屑不能及时排出并参与磨损，导致摩擦系数的波
表 2 TiAlN、TiAlAgN涂层硬度
Table 2 Hardness of TiAlN and TiAlAgN coatings
Coatings Hardness 1(HV 0.2 ) Hardness 2(HV 0.2 ) Hardness 3(HV 0.2 ) Average Hardness(HV 0.2 )
TiAlN 2 336.2 1 892.4 1 919.7 2 049.4
TiAlAgN(0.12%Ag) 1 740.0 1 693.3 1 585.4 1 672.9
TiAlAgN(0.30%Ag) 1 396 1 314 1 485.7 1 398.5