阴极电弧离子镀TiAlSiN涂层的高温抗氧化性能研究

冶金与材料第39卷（下转第84页）TiAlSiN 涂层的制备及研究进展吴浩龙，王天国，覃群（湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北十堰442002）摘要：简述了TiAlSiN 涂层的应用及制备方法，分析了制备TiAlSiN 涂层过程中涂层的微观结构、抗氧化性能、热稳定性能、膜基结合力性能和耐磨性能随着Si 含量改变的影响规律。

关键词：TiAlSiN 涂层；Si 含量；性能基金项目：湖北省教育厅科学技术中青年项目（Q20181802）。

作者简介：吴浩龙（1989-），男，湖北十堰人，硕士，研究方向：材料表面技术。

TiAlSiN 涂层是由适量的Si 元素添加到TiAlN 中制备的，其硬度与耐磨性能均优于TiAlN 涂层，且抗高温氧化能力更优，其温度可达1000℃左右。

文章综述了Si 含量对TiAlSiN 涂层结构性能的影响规律、涂层的制备方法及今后研究的发展趋势。

1Si 含量对TiAlSiN 涂层的影响涂层的抗氧化性是保证切削工具正常稳定使用的一个重要性能指标。

对于TiAlSiN 涂层，其在氧化过程中会形成一种独特的氧化层结构，即氧化层上层为聚集态的Al ，下层为聚集态的Si 的分层结构，上层的聚集态Al 会先与O 反应形成致密的Al 2O 3，使得O 原子难以进一步向内部氧化。

另外，Si 元素含量的增加提高了Al 元素的扩散系数，促进了Al 2O 3保护层的形成，同时SiO 2也可作为屏障阻止O 原子的进一步扩散。

文献［1］研究了TiAlSiN 涂层的抗氧化性能与Si 含量之间存在着一定的联系。

结果表明，即使温度在900℃左右的高温环境下，TiAlSiN 涂层也表现出了优秀的抗氧化能力。

TiAlSiN 涂层的热稳定性与Si 元素含量的高低存在着一定的联系，主要原因是由于Si 元素的存在，非晶相Si3N4形成与TiAlN 晶界上并包裹TiAlN 晶粒产生纳米晶结构，即TiAlSiN 纳米复合结构。

多弧离子镀制备纳米多层TiAlSiN涂层的性能研究机械工程师MECHANICAL ENGINEER圆园员8年第8期网址：/doc/e55663516.html, 电邮：hrbengineer@/doc/e55663516.html, 多弧离子镀制备纳米多层TiAlSiN 涂层的性能研究邹伶俐（厦门金鹭特种合金有限公司，福建厦门361100）摘要：采用多靶阴极电弧离子镀系统在硬质合金基体上沉积纳米多层结构的T i A l S i N 硬质涂层，该结构是通过T i A l N 涂层与T i S i N 涂层的交替叠加而制备的。

实验同时制备了T i A l N 涂层、T i A l S i N 单层涂层与纳米多层涂层进行性能对比分析，用扫描电镜（S E M ）、E D S 对涂层结构形貌及成分进行了分析，用划痕法和纳米压痕法分别对涂层的结合力与纳米硬度进行了测试，同时也测试了涂层在不锈钢车削上的性能表现。

结果表明，T i A l S i N 纳米多层涂层硬度高达33G P a ，同时在不锈钢车削上以T i A l S i N 纳米多层涂层性能最优，而T i A l S i N 单层涂层性能最差。

关键词：T i A l S i N ；T i A l N ；纳米多层涂层；不锈钢中图分类号:TG 174.444；TG 711文献标志码:A 文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员8）08原园098原园3Study on Properties of Nano-multilayer TiAlSiN Coating Prepared by Multi-arc Ion PlatingZOU Lingli（Xiamen Golden Egret Special Alloy Co.,Ltd.,Xiamen 361006,China ）Abstract:A nano -multilayer TiAlSiN hard coating isdeposited on a cemented carbide substrate by a multi -target cathodic arc ion plating system.The structure is prepared by alternating stacking of TiAlN coating and TiSiN coating.The performance comparison of TiAlN coating,TiAlSiN single layer coating and nano multilayer coating is carried out.The morphology and composition of the coating are analyzed by scanning electron microscopy （SEM ）and EDS.The adhesion and nanohardness of the coating are tested by the scratch method and the nanoindentation method,and the performance of the coating on the stainless steel turning is also tested.The results show that the hardness of TiAlSiNnano-multilayer coating is as high as 33GPa,and the performance of TiAlSiN nano-multilayer coating is the best in stainless steel turning,while the performance of TiAlSiN single-layer coating is the worst.Keywords:TiAlSiN;TiAlN;nano-multilayer coating;stainless steel引言在过去的几十年里硬质涂层在金属切削应用方面发展迅速。

电弧离子镀TiN和TiAlN薄膜的机械性能研究谢婷婷;肖若领;徐焱良;康剑莉【摘要】采用电弧离子镀在高速钢表面沉积TiN和TiAlN薄膜,并比较两种薄膜的机械性能.为模拟实际生产情况,利用对外开展技术服务的机会,沉积薄膜同时在真空腔室内放置近1 000支冲棒.基材高速钢经镀2.0μmTiN和1.8μm TiAlN薄膜后硬度分别提高至2 661HK、3 570HK左右.由于Al原子的固溶强化作用,镀TiAlN薄膜硬度提高比TiN薄膜更为显著.TiA1N薄膜与基材的结合力明显低于TiN薄膜,适用于受力较小的工作条件,这可能是由于薄膜塑性较差及内应力较大共同影响所致.【期刊名称】《温州职业技术学院学报》【年(卷),期】2015(015)001【总页数】4页(P55-58)【关键词】电孤离子镀;TiN;TiAlN;薄膜;沉积;硬度;结合力【作者】谢婷婷;肖若领;徐焱良;康剑莉【作者单位】温州职业技术学院温州市材料成型工艺与模具技术重点实验室,浙江温州 325035;温州职业技术学院温州市材料成型工艺与模具技术重点实验室,浙江温州 325035;温州职业技术学院温州市材料成型工艺与模具技术重点实验室,浙江温州 325035;温州职业技术学院温州市材料成型工艺与模具技术重点实验室,浙江温州 325035【正文语种】中文【中图分类】TG174.444现代制造业迅猛发展，工具在高速、高温、冲击、重载等恶劣条件下工作，往往因表面磨损、腐蚀及高温氧化等而失效。

在钻头、丝锥、刀具等工具表面涂覆一层硬质耐磨保护膜，可显著提高使用性能，延长使用寿命。

工业上，应用最为广泛的硬质耐磨保护膜主要有TiN和TiAlN薄膜[1-4]。

目前，制备TiN和TiAlN薄膜的方法主要有化学气相沉积技术（CVD）[1-2]和物理气相沉积技术（PVD）[3-4]。

与传统的电镀、化学镀技术相比，气相沉积技术绿色环保，对环境无污染，不存在废气、废液等问题。

多弧离子镀TiAlN涂层的研究进展作者：曹娅来源：《科技创新与应用》2014年第05期摘要：文章概述了多弧离子镀TiAlN涂层的研究现状及发展趋势，详细分析了Al元素含量和弧电流、N2流量、基体偏压、温度等工艺参数对TiAlN涂层的结构、硬度、结合力、耐磨性等性能的影响。

目前，多弧离子镀TiAlN涂层存在液滴数量多，为了进一步促进多弧离子镀TiAlN涂层的应用，需进一步优化工艺，发展纳米TiAlN涂层。

关键词：多弧；离子镀；TiAlN涂层；研究多弧离子镀属于离子镀的一种改进方法，最早是由苏联人开发，上世纪80 年代初，美国的Multi- Arc 公司和Vac- Tec 公司首先把这种技术实用化[1]。

其基本原理[2]是在真空腔内，基底与蒸发源施加一电场，当腔体压力适当时，蒸发源与基底之间会产生辉光放电或弧光放电，在和电子碰撞过程中，会形成气体离子和靶材（薄膜材料）的离子，这些离子在电场中被加速飞向基底，于是在离子轰击影响下发生凝结而形成薄膜。

多弧离子镀TiAlN涂层是在TiN 涂层的基础上发展起来的一种新型三元复合涂层，TiAlN涂层具有更高的硬度、抗高温氧化性、热疲劳性能、耐磨性等特点，目前在模具制造、航空发动机和生物医学等方面已有应用[3-5]。

因此，多弧离子镀TiAlN涂层近年来受到广泛地关注。

1 TiAlN涂层的性能1.1 Al元素对涂层结构的影响1.3 Al元素对涂层结合力的影响1.4 Al元素对耐磨性的影响Al元素对TiAlN 涂层耐磨性的作用具有双重性[16]，研究表明，摩擦系数随着Al含量的增加而减小，耐磨性能提高。

1.5 靶材的选择Al元素的引入可改善涂层结构，提高硬度、结合力和耐磨性，为了在冲压模具上获取更优质性能的涂层，首先应考虑基材与TiAlN涂层的关系，其次最重要的是靶材的选择和工艺参数的优化。

张德元[17]研究表明分离靶（Ti靶、Al靶）不利于整炉产品涂层的均匀性，因此，一般来说选择TiAl合金靶作为靶材。

电弧离子镀（Ti ，Cr ）N 涂层的制备与性能研究徐向荣，黄拿灿，卢国辉，杨少敏（广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510643）摘要：采用电弧离子镀膜机，通过调节Ti 靶和Cr 靶的阴极弧电流，在W6Mo5Cr4V2高速钢基体上制备了（Ti 1-!Cr !）N 涂层，并对其组织结构和性能进行了研究。

结果表明，该涂层具有较高的显微硬度，而且随Cr 含量的增加，硬度值先增大后减小；涂层具有较高的膜基结合力；Cr 的引入不仅有利于提高膜基结合力，对（Ti ，Cr ）N 涂层的抗氧化性也有好处，在700C 时具有很好的抗氧化性。

关键词：电弧离子镀；（Ti ，Cr ）N 涂层；组织和性能；抗氧化中图分类号：TGl74.444 文献标识码：A 文章编号：0254-605l （2005）07-0040-04Research on Properties of （Ti ，Cr ）N Coatings Prepared by Arc Ion PlatingXU Xiang-rong ，HUANG Na-can ，LU Guo-hui ，YANG Shao-min（FacuIty of MateriaI and Energy ，Guangdong University of TechnoIogy ，Guangzhou Guangdong 510643，China ）Abstract ：（Ti 1-!Cr !）N coatings were deposited on W6Mo5Cr4V2high-speed steeI by adjusting cathode arc currents of the targets of Ti and Cr with arc ion pIating machine.The microstructure and properties of the coatings were studied.The resuIts show that the coatings possess high microhardness which first increases and then decreases with the increase of the Cr content and the coatings have high adhesion between the fiIm and matrix ；the introduction of Cr improves both the ad-hesion and the oxidation resistance of the （Ti ，Cr ）N coatings and the oxidation resistance at 700C is exceIIent.Key words ：arc ion pIating ；（Ti ，Cr ）N coating ；microstructure and properties ；oxidation resistance作者简介：徐向荣（1979.04—），男，江西人，硕士生，主要从事材料表面工程的研究。

表面技术第53卷第8期TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展周琼，王涛，黄彪*，张而耕，陈强，梁丹丹 （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）摘要：TiAlSiN涂层具有耐温性好、化学惰性高等优异性能，其作为防护层被广泛应用于摩擦零部件、机械加工工具上。

但TiAlSiN涂层内应力过大导致的力学性能不足，限制了其在严苛工况下的进一步应用。

总结了目前改善TiAlSiN涂层力学性能的主要措施：涂层微观结构优化、膜层结构设计以及热处理工艺。

对改善涂层力学性能所涉及的细晶强化、共格效应、固溶强化以及模量差理论等机理进行了全面的描述，并详细地对比分析了上述理论之间的内在联系与差异。

系统地讨论了纳米多层和梯度复合膜层结构对涂层力学性能的影响规律，主要从调制结构以及成分调整2个角度对膜层结构变化进行了分析，有利于指导具有良好力学性能的膜层结构的设计。

此外，分别阐述了退火温度、时间以及气氛环境对TiAlSiN涂层力学性能的影响规律，分析了退火条件对涂层微观结构的影响以及微观结构与力学性能之间的关系。

在此基础上，提出了未来可以从基础理论和改善措施之间的协同作用角度，对TiAlSiN涂层力学性能的改善展开进一步研究。

关键词：TiAlSiN；性能改善；力学性能；微观结构；膜层结构；热处理中图分类号：TG174.4 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)08-0040-12DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.08.004Research Status and Progress of Improving MechanicalProperties of TiAlSiN CoatingsZHOU Qiong, WANG Tao, HUANG Biao*, ZHANG Ergeng, CHEN Qiang, LIANG Dandan(Shanghai Engineering Research Center of Physical Vapor Deposition (PVD) Superhard Coating and Equipment,Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China)ABSTRACT: TiAlSiN coatings have excellent high temperature resistance and chemical inertness, and they have been widely used on friction work pieces and cutting tools. However, their high internal stress limits their further application in industries under harshworking conditions. This paper focuses on the main techniques employed to improve the mechanical properties of TiAlSiN coatings, including microstructure optimization, micro-structure design and treatment. The coating hardness is predominantly influenced by microstructure, which can be tailored through various processing methods such as deposition method optimization, and modulation of the deposition process parameters including nitrogen flow rate, substrate bias, target quantity, and power duration. In addition, doping new elements and changing the original element content of TiAlSiN coatings also affect the hardness of the coatings. In this work, the mechanisms involved in improving the mechanical properties of the收稿日期：2023-05-08；修订日期：2023-07-29Received：2023-05-08；Revised：2023-07-29基金项目：国家自然科学基金资助项目（51971148）；上海市自然科学基金资助项目（20ZR1455700）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51971148); Shanghai Natural Science Foundation (20ZR1455700)引文格式：周琼, 王涛, 黄彪, 等. TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展[J]. 表面技术, 2024, 53(8): 40-51.ZHOU Qiong, WANG Tao, HUANG Biao, et al. Research Status and Progress of Improving Mechanical Properties of TiAlSiN Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(8): 40-51.*通信作者（Corresponding author）第53卷第8期周琼，等：TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展·41·coatings, such as fine grain strengthening, solid solution strengthening and modulus difference theory, were compared and analyzed. The refinement of grain size resulting from fine-crystal strengthening reduced the crack propagation, while solid-solution strengthening was achieved by introducing foreign atoms into a compound to form a solid solution, thereby increasing the hardness of the TiAlSiN coatings. The coherent effect and modulus difference theory promoted the enhancement of TiAlSiN coating hardness through interface structure optimization. Both mechanisms induced interfacial stresses that prevented dislocation generation. The internal relations and differences between the above theories were compared and analyzed in detail. The effect of nano-multilayer and gradient composite layers on the mechanical properties of the coatings was systematically discussed. Modulation structure and composition adjustment were the two main factors that affected the variation of micro-structure. Currently, research on the strengthening mechanisms of nano-layered coatings and gradient-structured coatings is not comprehensive. Even small structural alterations to these coatings can cause various influence mechanisms that alter their mechanical properties. For instance, changing the modulation period significantly impacts the mechanical behavior of TiAlSiN coatings by means of coherent strain and the modulus difference theory. It is helpful to guide the design of membrane structure with good mechanical properties. In addition, heat treatment has the most significant effect on the properties of TiAlSiN coatings. So the influence of annealing temperature, annealing time, and atmosphere on the mechanical properties of TiAlSiN coatings was summarized. The effect of annealing conditions on the microstructure of the coatings and the relationship between the microstructure and mechanical properties were analyzed. In addition to experimental research, basic theoretical research was also be conducted by starting from first principles to identify the specific relationships and influence mechanisms between microstructure and mechanical properties of coatings. Annealing had three main effects on the mechanical properties of TiAlSiN coatings: grain coarsening, phase transformation, and surface oxide formation. Annealing resulted in grain coarsening, which improved the toughness of the coatings. The mechanical properties of TiAlSiN coatings were affected by the phase structure when phase transitions occurred during annealing. Additionally, the significance of the synergistic effect of improving measures on the mechanical properties of TiAlSiN coatings was emphasized. Finally, it was suggested to conduct deep research in future on improving mechanical properties of TiAlSiN coatings from basic theory and cooperation effect of various improvement actions.KEY WORDS: TiAlSiN; property improvement; mechanical property; microstructure; film structure; heat treatment现代刀具材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷等，随着切削加工技术的不断提高，其力学性能已经逐渐不能满足工业上的要求，而提升涂层的力学性能可以弥补刀具材质上的不足[1-5]。

电弧离子镀nicralysi涂层抗高温氧化行为高温氧化的抗性已经成为各种金属材料用于特殊高温行业的重要指标。

传统的防腐涂层效果不佳，因此，能够有效抵御氧化腐蚀的表面涂层是金属构件在高温环境中耐久可靠的重要技术手段。

电弧离子束镀nicralysi技术（IBS）是一种新型表面涂层技术，具有优异的抗腐蚀表面性能，可在高温下达到良好的抗氧化效果。

电弧离子束镀nicralysi技术是一种利用电弧离子束技术对金属材料表面形成密封保护膜的表面涂层技术。

而且，由于表面粗糙度较小，能够有效降低表面粘度，提高涂层紧固性。

使用该技术可以在金属表面形成一层致密的抗氧化膜，可以抵御各种高温氧化腐蚀。

此外，这种涂层还具有良好的耐磨性和热稳定性。

电弧离子束镀nicralysi技术在高温抗氧化性能方面具有显著优势。

实验表明，在800℃-1100℃条件下，nicralysi涂层的耐氧化性能优于传统热镀锌和热浸锌涂层，且自重面系数较低，可以更好地抵御高温氧化环境，形成一层致密、柔韧的氧化膜，从而减少钢铁件的磨损，降低维修成本。

此外，由于nicralysi抗高温氧化涂层具有良好的抗腐蚀性能和热稳定性，因此也可以用于船舶、设备、石油装备、炼钢、建筑和汽车行业等多种领域，在抗腐蚀和耐用方面取得了良好的效果。

综上所述，电弧离子束镀nicralysi技术可以在高温环境中提供优异的抗氧化性能，为金属的抗腐蚀和耐用性提供了有力的支持。

Nicralysi技术的发展和推广有助于改善金属表面涂层的性能，为高
温环境下的防腐和耐用带来更多的便利。

第52卷 第7期 表面技术2023年7月SURFACE TECHNOLOGY ·149·收稿日期：2023–02–27；修订日期：2023–04–26 Received ：2023-02-27；Revised ：2023-04-26基金项目：天津市多元投入基金重点项目（22JCZDJC00670）；天津市教委科研计划项目（2021ZD005，2022ZD020，2022ZD033）；天津市多元投入基金项目（22JCYBJC01600）Fund ：Major Project of Tianjin Multi-investment Fund (22JCZDJC00670); Scientific Research Project of Tianjin Education Commission (2021ZD005, 2022ZD020, 2022ZD033); Project of Tianjin Multi-investment Fund (22JCYBJC01600) 作者简介：刘艳梅（1976—），女，硕士，副教授，主要研究方向为硬质涂层。

Biography ：LIU Yan-mei (1976-), Female, Master, Associate professor, Research focus: hard films. 通讯作者：王铁钢（1978—），男，博士，教授，主要研究方向为刀具涂层技术。

Corresponding author ：WANG Tie-gang (1978-), Male, Doctor, Professor, Research focus: tool coatings.引文格式：刘艳梅, 张蕊, 朱强, 等. 沉积温度对电弧离子镀AlCrSiN 涂层的影响[J]. 表面技术, 2023, 52(7): 149-157.LIU Yan-mei, ZHANG Rui, ZHU Qiang, et al. Effects of Deposition Temperature on AlCrSiN Coatings Prepared by Arc Ion Plating Technique [J]. Surface Technology, 2023, 52(7): 149-157.沉积温度对电弧离子镀AlCrSiN 涂层的影响刘艳梅1，张蕊1，朱强1,2，王重阳1，白乌力吉1，曹凤婷1，范其香1，王铁钢1（1.天津职业技术师范大学 天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222；2.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016） 摘要：目的 优化涂层制备工艺，改善AlCrSiN 涂层的力学及摩擦性能。