Page 31 - 《真空与低温》2025年第5期

570 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

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friction coefficient of 0.67 and a wear rate of 4.17×10 mm /（N·m）. This behavior was likely due to the reduced defect den-
sity and smoother morphology at lower bias voltages，which minimized abrasive wear and delamination. The findings under-
score that optimizing substrate bias voltage provides an effective method for tailoring the mechanical and tribological proper-
ties of TiAlN coatings，offering valuable insights for enhancing the surface performance of carbide tools in demanding ma-
chining applications.
Key words：TiAlN coatings；arc ion plating；bias voltage；microstructure；tribological properties

0 引言 AlCrVN 并报道了其摩擦学性能，指出−50 V 偏压
下制备的 AlCrVN 涂层性能最优。
随着机械化加工对精密性、可靠性及加工效
虽然已针对 TiAlN 涂层组织结构及力学性能
率的要求不断提高，加之大量难加工材料的广泛应
用，各类零部件加工所用的模具、刀具等已成为研 开展了广泛研究，但是偏压参数对 TiAlN 涂层摩擦
究热点 [1–3] 。切削刀刃工作常面临高温、高压、高 学性能的影响仍需详细探讨。本文采用电弧离子
速的环境，在刀具进行干式切削时，刀具与工件直 镀技术在硬质合金上沉积 TiAlN 涂层，为研究不同
接接触，两者摩擦产生大量热量，切削温度急速上 偏压对 TiAlN 涂层的力学性能和摩擦学的影响，在
升，切削的中心部位温度可达 700~900 ℃，局部温 −50 V、−100 V、−150 V 偏压下分别制备 TiAlN 涂
度甚至能够高达 1 000 ℃ [4-5] 。为提高其服役寿命， 层，建立偏压与涂层组织性能之间的关系，进而分
通常在刀具表面镀具有优良高温力学性能的防护 析涂层摩擦磨损机理。
涂层 [6-7] 。为满足各种加工工艺的要求，硬质涂层的 1 试验
研究由最初的 TiN、CrN 逐步发展到三元或多元涂
1.1 涂层的制备
[8]
层，涂层结构也逐渐复杂化 。在 TiN 中加入 Al 元
涂层制备采用磁控-电弧复合沉积设备，该设
素之后所沉积的 TiAlN 涂层表面在切削过程中与
备包含四个电弧源、一个 HiPIMS 电源和一个直流
氧气反应生成一层致密的 Al 2 O 3 防护层，在氧化物
磁控电源。沉积设备的示意图如图 1 所示。使用
涂层的保护下，涂层拥有优异的抗氧化性，使得刀
的靶材为 TiAl 靶（纯度 99.99%，Ti 50 Al 50 ），所用基体
具在 800 ℃ 下仍能稳定工作，具有良好的高温稳定
为 YG8 硬质合金块（16 mm×16 mm×5 mm），硬质合
[9]
性 。另外，Al 原子固溶在 TiN 晶格中形成 TiAlN，
金块的处理步骤为：先在 400 目金刚石磨盘上进行
[10]
产生固溶强化效应，硬度得到提升，超过 30 GPa 。
粗磨，粗磨合格后在 1 500 目金刚石磨盘上进行
电弧离子镀技术是制备 TiAlN 涂层最常用的
精磨，再用金刚石研磨膏和自动抛光机把合金块的
技术，由于该技术本身的特性，所制备的涂层表面
表面打磨至镜面。镀膜前将样品进行清洗烘干。
会有大颗粒的存在，过大的靶电流会带来数量更多
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镀膜前需将腔室气压抽至 5.0×10 Pa，温度升至
尺寸更大的大颗粒，大颗粒的存在会对涂层性能造
300 ℃，随后通入高纯 N 2 气体，维持沉积气压至
成影响，周军等 [11] 通过改变靶电流研究了 TiAlN
2.5 Pa，偏压电源设定为−100 V，靶电流为 100 A，转
涂层的抗氧化性能。除靶电流外，偏压同样是重要
架转速为 3 r/min，沉积时间为 5 h。
的沉积参数，电弧沉积过程中，镀膜腔体内靶材元
真空系统

素多以等离子体的形式存在，偏压的大小直接影响 HiPIMS 电源
等离子体的动能，进而影响等离子体到达基体沉积
成膜的质量。电弧离子镀技术对靶材元素的离化 DCMS 电源
程度可达 90%，金属离子在电场的作用下轰击基体
TiAl 靶材
表面，通常不同的沉积偏压对涂层最终的性能影响
往往较大。曹慧等 [12] 在偏压为−45 V 时得到最佳
耐腐蚀性能的 TiAlN 涂层；梁小彪等 [13] 通过改变
偏压制备了 AlCrN/TiSiN 多层涂层，发现在−120 V 样品架
时得到硬度为 34.6 GPa、Lc1 为 117.2 N 的优良力
学性能涂层，并指出过高的偏压会使涂层的硬度 图 1 沉积设备示意图
和结合力降低；田灿鑫等 [14] 采用不同偏压制备 Fig. 1 Coating equipment schematic diagram