Page 34 - 《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 573

合良好，膜基结合力均到 HF1 级别。这是因为增 结构，此外离子的轰击作用巩固了沉积紧密的原子
加偏压后，靶材金属阳离子对基体表面的轰击作用 并剔除结合较差的原子，使涂层与基体间的结合力
增强，促进溅射离子在基体表面形成更加致密的 提高。

50 μm 50 μm 50 μm

HF1 100 μm HF1 100 μm HF1 100 μm
（a）−50 V （b）−100 V （c）−150 V

图 6 不同偏压下沉积的 TiAlN 涂层压痕形貌图
Fig. 6 Indentation topography of TiAlN coating deposited under different bias voltage

图 7 为涂层力学性能与偏压之间的关系，随着 500 圈，之后下降到 0.8 并一直维持。当偏压为
偏压的增大，涂层的硬度与弹性模量均呈现先增大 −150 V 时，涂层摩擦系数于 200 圈之后大幅波动

后减小的趋势。当偏压为−50 V 时，涂层硬度和弹 且呈现出周期性。这可能是磨粒在摩擦过程中周
性模量分别为 21.2 GPa 和 338.6 GPa；当偏压增加 期性的形成和破裂，导致摩擦系数在 0.8～1.1 之间
[24]
到−100 V 时，涂层结构变得更加致密，涂层硬度和 周 期 变 化 。 图 8（b）为 TiAlN 涂 层 的 磨 损 率 ，
弹性模量均达到最高值 32.1 GPa 和 416.0 GPa；当 随着偏压的增大，磨损率呈现先减小后增大的规

偏 压 继 续 增 加 到−150 V 时 ， 涂 层 硬 度 和 弹 性 模 律。当偏压为−50 V 时，其磨损率最低，为 4.17×
量 分 别 下 降到 22.3 GPa 和 257.7 GPa。 在 偏 压 为 10 mm /（N·m），这可能与其最低的摩擦系数有
−6
3
−100 V 时，一方面，高能离子轰击引起的空穴有可 关 。 当 偏 压 为−150 V 时 ， 磨 损 率 最 高 ， 为 9.20×
3
−6
能被新产生的离子填充，另一方面，适当的高偏压 10 mm /（N·m），此时摩擦系数最高达到 1.04，可能
轰击可使涂层晶粒细化。根据 Hall-Petch 公式，晶 是在摩擦过程中，其磨粒磨损加剧引起。
[22]
粒细化有利于提高涂层的硬度 。同时在偏压为
500
−100 V 时，TiAlN 涂层的衍射峰从（200）晶面转变 35 硬度
弹性模量
为（111）晶面，而（111）晶面比（200）晶面具有更低 30 400
的施密特因子，引起涂层硬度上升 [23] 。因此，涂层 25
在−100 V 偏压下的涂层硬度最高是以上几个因素 硬度/GPa 20 300 弹性模量/GPa
综合作用的结果。当偏压上升到−150 V 时涂层硬 15 200
度则会下降，这可能是因为过高的偏压导致涂层局 10
部应力释放从而引起涂层硬度降低 。 5 100
[20]
图 8（a）显示了涂层摩擦系数（COF）随滑动圈 0 0
数的变化。可以观察到，涂层的摩擦曲线包括两个 −50 −100 −150
偏压/V
不同的阶段：磨合期和稳定期。在磨合期，初始摩
擦系数低于 0.2，这是由于刚开始涂层与对磨球接 图 7 不同偏压下沉积的 TiAlN 涂层的力学性能
触不够充分。经过 100 圈左右的滑动后，由于接触 Fig. 7 Mechanical properties of TiAlN coatings deposited
under different bias voltage
面积的增加以及磨损轨迹中犁沟和磨粒的出现，
COF 迅速上升。当偏压为−50 V 时，涂层摩擦系数 为更进一步分析涂层的磨损机理，采用轮廓仪
于 250 圈左右到达峰值 0.7，随后下降至 0.65 并维 对 磨 痕 形 貌 进 行 表 征， 如 图 9 所 示 。 当 偏 压 为
持至 2 000 圈，之后摩擦系数逐渐升高至 0.8 左右， −50 V 时，磨痕深度为 640 nm；当偏压为−100 V 时，
其平均摩擦系数为 0.67 达到最低水平。当偏压为 磨痕深度最大，达到 847 nm；当偏压为−150 V 时，
−100 V 时 ， 涂 层 于 200 圈 左 右 到 达 0.9 并 维 持 到 磨痕深度为 822 nm。从磨痕轮廓的三维形貌图可