Page 32 - 《真空与低温》2025年第5期

周 敏等：基底偏压对 TiAlN 涂层微观结构及摩擦学性能影响 571

1.2 涂层的表征与测试 压制备的涂层中 N 元素含量均在 50% 以上，这得
试 验 采 用 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜（Navo 益于电弧离子镀技术的高离化率。带电粒子在电
NanoSEM450）对涂层的表面、截面形貌以及磨痕 场的作用下获得较高的动能，从靶材到基体的运动
形貌进行表征，同时使用 EDS 分析材料表面的元 过程中还促进了 N 2 的激发和电离。因此，金属元
素含量。使用 Taylor Hobson®CCI 3D 光学轮廓仪 素的氮化得到保障 。对于涂层中金属元素，Al
[15]
进行磨损轨迹的形态观察和横截面测量。使用 与 Ti 元素含量比值与靶材比值不一致，这有两方

X 射线衍射仪（XRD，Bruker D8 ADVANCE）来表征 面的原因：一方面，与 Al 相比，Ti 具有更高的原子
涂 层 的 物 相 结 构， 设 备 使 用 CuKα 射 线 （40 kV， 质量，这意味着 Ti 元素在沉积过程中与气体原子
40 mA），扫描范围为 30°至 80°，扫描速率为 5°/min。
碰撞的偏转较小，因此 Ti 可以更有效地掺入涂层
采用 MML 公 司 纳 米 压 痕 仪 NanoTest Vantage 和
中；另一方面，Ti 的活性更高，更容易被氮化，因此
Berkovich 金刚石玻氏压头进行试验，设定载荷为
涂层中 Ti 的含量高于 Al [16-17] 。图 2（b）显示了 Al
10 mN，三棱锥压头的面间夹角为 120°，压头钝圆
在金属元素中的占比，Al/（Ti+Al）均低于 0.5，Al 均
半径为 100 nm，杨氏模量为 1 141 GPa。结合力测
[18]
未超过在 TiN 中的固溶极限 。
试采用洛氏压痕仪，测试加载为 60 kg，使用光学显
微镜观察并拍摄压痕形貌。采用 Aotonpaar TRB 3
表 1 摩擦磨损参数
球盘摩擦试验机，试验过程选用直径为 6.35 mm 的
Tab. 1 Friction parameter
Al 2 O 3 球作为摩擦副，载荷为 5 N，摩擦半径为 5 mm，
试验参数 数值
转速为 200 r/min，详细摩擦测试参数如表 1 所列。
载荷/N 5
2 结果与讨论 摩擦半径/mm 5
图 2（a）为不同偏压下 TiAlN 涂层成分变化图。 转速/（r/min） 200
不同偏压制备的涂层中均有较低含氧量（低于 4%）， 摩擦时间/min 15
环境温度/℃ 25±5
这可能是因为沉积室中还有少量 O 2 残留。不同偏

0.50

100
O
N 0.48
80 Al
原子百分比/% 60 53.10% 54.27% 53.49% Al/(Al+Ti) 0.46
Ti

0.44
40
20 19.31% 18.63% 19.21% 0.42
24.46% 24.05% 24.01%
0
−50 −100 −150 0.40 −50 −100 −150
偏压/V 偏压/V
（a）不同偏压下 TiAlN 涂层成分变化 （b）不同偏压下 Al 在金属元素中占比

图 2 不同偏压下 TiAlN 涂层成分变化
Fig. 2 Composition changes of TiAlN coatings under different biases voltage

图 3 为不同偏压下沉积的 TiAlN 涂层表面形 存在。然而在沉积的过程中，高能带电粒子会将部
貌图，不同偏压沉积的涂层表面均出现大颗粒，这 分结合较差的大颗粒轰击至脱落，大颗粒脱落后则

是电弧离子镀常见的表面形态。原因是在电弧沉 形成孔洞。图 4 为不同偏压下沉积的 TiAlN 涂层
积时，电弧在靶面“跑动”的过程中会使靶材形成 截面形貌图。由图可得涂层表现为柱状生长结构，
局部熔融池，部分靶材元素会以熔融态“大液滴” 且随着基体偏压的提高，涂层组织结构更加致密。
的形式到达基体表面，最终凝结，以大颗粒的形式 另外，涂层厚度也受基体偏压影响：当偏压为−50 V