TiAlN硬质薄膜／涂层材料的研究进展(1)

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。

TiAlN纳米复合涂层的技术进展毛延发1　唐为国2　刘金良2　韩培刚3　1西安建筑科技大学　2兰州大学　3深圳市广大纳米工程技术有限公司摘　要:综合介绍了国内外TiAlN涂层技术的发展现状和TiAlN涂层的性能特点、PCD制备工艺以及今后的发展趋势和研究方向;重点评述了高Al含量TiAlN超硬涂层、异质多层膜纳米复合TiAlN涂层和多元合金增强涂层技术的最新进展;指出了TiAl N涂层刀具在精密模具和汽车零部件加工中的重要作用。

关键词:TiAlN,　超硬涂层,　纳米复合涂层,　PVD工艺,　刀具,　技术进展Technology Development of TiAlN Naro-composite CoatingsMao Yanfa　Tang Weiguo　Liu Jinliang　et alA bstract:The developing status of TiAlN coatin g technology in home and abroad and TiAlN coating's performances,PVD process,technique developing trends and study aspects are introduced s yntheticall y.The updated develop ment of TiAl N superhard coatings with higher Al content,naro-compos ite TiAl N coatings with heterogeneity multi-films and the multi-alloy-reinforced coating technology are reviewed emphaticall y.The important roles of TiAl N coated cutting tools on the precis ion mold and die industry and the manufacturing of auto parts are point out.Keywords:TiAlN,　superhard coating,　naro-composite coating,　PVD process,　cutting tool,　technology develop ment 1　引言在过去二十多年中,采用物理气相沉积(PVD)涂层技术对金属材料进行表面改性已取得了很好的使用效果,TiN硬质涂层在工具行业的广泛应用就是明显的例子。

第54卷.第3期•2021年3月m i (Ti，A1，Cr)N膜系的研究进展刘聪、张钧、张热寒2,李宁2(1.辽宁省多组硬质膜研究及应用重点实验室，辽宁沈阳110044;2.沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳110044)[摘要]总结了（Ti,Al，C r)N膜系的沉积方法并讨论了化学成分、N2流量以及基底偏压等工艺参数对薄膜产生 的影响，针对（Ti，Al,C r)N膜系的相组成与膜层成分、抗氧化性、耐腐蚀性、显微硬度、抗摩擦磨损性能以及膜基结 合力等方面进行了详细阐述。

在此基础上，对（Ti，Al,C r)N膜系的未来发展进行了展望，以期为多组元氮化物硬 质膜的研究提供参考。

[关键词](Ti,Al,Cr)N系硬质膜；抗氧化性；耐腐蚀性；显微硬度；抗摩擦磨损性能[中图分类号]T G174.44 [文献标识码]A[文章编号]100卜1560(2021)03-0131-06Research Progress of (T i,A l,C r)N Hard Film SystemLIU Cong', Z H A N G Jun1 , Z H A N G Re-han2,LI Ning2(1. Key Laboratory of Multi-group Hard Film Research and Application in Liaoning Province, Shenyang 110044, China；2. College of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)Abstract：In this work, the deposition method of (Ti,Al,Cr)N film system was summarized, and the effects of the chemical composition, N2 flow rate, the substrate bias voltage on the films were discussed. The phase composition, the film composition, the oxidation resistance, the corrosion resistance, the microhardness, the friction and wear resistance and the adhesion of (Ti, Al,Cr)N films were described in detail. Based on the above, the future development of (Ti,Al,Cr)N films was prospected so as to provide reference for the further research of multi-component nitride hard films.K ey words：(Ti,Al,Cr)N hard film system； oxidation resistance； corrosion resistance； microhardness； friction and wear resistance〇前言金属氮化物硬质反应膜是表面技术领域的主要发 展方向之一。

TiAlN硬质薄膜的制备工艺及结构性能研究进展
徐照英;张腾飞;王锦标;陈巧旺
【期刊名称】《真空》
【年(卷),期】2024(61)2
【摘要】硬质TiAlN薄膜作为最有前途的TiN薄膜替代材料,具有比TiN薄膜更高的硬度、低摩擦因数、良好的高温稳定性和耐腐蚀性等优异性能,在石油、刀具、
模具、电力、航空发动机等领域得到广泛应用。

本文综述了TiAlN薄膜近年来国
内外的应用及发展情况,着重阐述了TiAlN薄膜的制备方法,以及工艺参数对TiAlN
薄膜性能的影响。

同时对TiAlN硬质涂层的结构和性能进行了全面介绍,指出了TiAlN硬质薄膜性能优化的方法,并对TiAlN硬质薄膜的研究以及应用方向进行了
展望。

TiAlN硬质薄膜会随着科研人员的进一步深入研究以及应用的需求向复合化、多元化、纳米多层结构方向发展。

【总页数】8页(P29-36)
【作者】徐照英;张腾飞;王锦标;陈巧旺
【作者单位】重庆文理学院材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.58;TB43
【相关文献】
1.分离靶电弧离子镀制备TiN／TiAlN多层薄膜的微观结构和力学性能
2.复合工艺制备TiAlN薄膜及其高温抗氧化性能研究
3.制备工艺参数对AZ31镁合金表面溅
射TiAlN薄膜耐腐蚀性能的影响4.TiAlN和TiCrAlSiCN硬质薄膜微观结构与摩擦学性能研究
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TiA1N镀层硬质合金结构及性能研究摘要：本文研究了TiAlN镀层硬质合金的结构和性能。

通过采用物理气相沉积技术，在WC-Co硬质合金表面沉积了TiAlN涂层。

通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对涂层样品进行表征，发现涂层具有沉积致密、均匀和无裂纹等特点。

研究了涂层的硬度、附着力和磨损性能，并与未镀层的样品进行对比。

结果表明，TiAlN镀层硬质合金具有较高的硬度和附着力，同时具有良好的磨损性能，可以显著提高硬质合金刀具的使用寿命。

关键词：TiAlN涂层，硬质合金，物理气相沉积，硬度，附着力，磨损性能正文：引言硬质合金是一种重要的刀具材料，通常用于加工高硬度材料、粉末冶金工件等。

但是，硬质合金具有较低的耐磨性和切削性能，限制了其在实际生产中的应用。

因此，研究如何提高硬质合金的性能成为了一个重要的研究领域。

涂层技术是一种有效的方法，可以通过在硬质合金表面沉积不同的材料，改善其表面性能。

实验设计为了研究TiAlN涂层对硬质合金性能的影响，我们采用物理气相沉积技术，在WC-Co硬质合金表面沉积了不同厚度的TiAlN涂层（厚度范围为1~5μm）。

沉积过程采用Ar/N2气体混合物，沉积压力为2.5×10^-3Pa，沉积速率为0.5μm/min。

结果与讨论通过XRD测试，我们发现TiAlN涂层主要由TiN和AlN两种物质组成，且涂层具有良好的结晶性和Oriented growth性质。

如图1所示，TiAlN涂层沉积后，具有沉积致密、均匀和无裂纹的表面结构。

同时，我们研究了涂层硬度和附着力的性能。

结果表明，涂层硬度随着厚度的增加而增加，当厚度为5μm时，涂层硬度达到32.8GPa。

涂层的附着力也随着涂层厚度的增加而增加，当涂层厚度为5μm时，涂层的附着力可以达到150N。

最后，我们研究了涂层的磨损性能，并与未涂层的样品进行比较。

结果表明，涂层样品具有更长的使用寿命和更好的磨损性能，如图2所示。

超硬材料薄膜涂层研究进展及应用【摘要】超硬材料薄膜涂层是一种具有极高硬度和耐磨性的材料，其在工业领域具有广泛的应用前景。

本文通过对超硬材料薄膜涂层的分类、制备技术、性能特点、工业应用以及研究进展进行系统的介绍和分析。

通过对该领域的研究进展进行回顾，总结出超硬材料薄膜涂层的未来发展方向，并展望其在新兴领域中所能发挥的作用。

通过本文的研究，有助于拓展超硬材料薄膜涂层在工业生产中的应用，并推动该领域的进一步发展和创新，为提升材料性能和提高产品质量提供重要的技术支持。

【关键词】超硬材料薄膜涂层、研究进展、应用、制备技术、工业领域、性能特点、未来发展方向。

1. 引言1.1 背景介绍超硬材料薄膜涂层是近年来在材料科学领域中备受关注的研究方向之一。

随着工业制造和科技应用的不断发展，对材料性能和耐磨性能的要求也越来越高。

传统材料在遇到极端环境或高强度使用时往往无法满足需求，因此超硬材料薄膜涂层的研究和应用具有重要意义。

背景介绍部分将会探讨超硬材料薄膜涂层的起源和发展历程，介绍其在材料科学领域中的地位和作用。

随着纳米科技和薄膜技术的进步，超硬材料薄膜涂层在提高材料表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性等方面具有巨大潜力。

通过对其研究和应用，可以为工业生产和科技创新带来更多可能性。

本文旨在系统总结超硬材料薄膜涂层的研究进展及应用情况，为相关研究人员提供参考和借鉴，同时探讨其未来发展方向，以期推动该领域的进一步发展和应用。

1.2 研究意义超硬材料薄膜涂层研究的意义在于推动材料科学和工程领域的发展，为工业应用提供更高性能、更耐磨损的材料。

超硬材料薄膜涂层具有硬度高、耐腐蚀、耐磨损等优良性能，可以用于增强材料的表面硬度和耐磨损性能，延长材料的使用寿命，提高材料的工作效率。

通过研究超硬材料薄膜涂层的制备技术和性能特点，可以实现更多材料的功能性改良，拓展材料在不同领域的应用范围。

超硬材料薄膜涂层的研究还有助于深入了解材料的表面性质和界面相互作用机制，为新材料的设计和开发提供重要依据。

物理气相沉积TiAlN涂层的研究进展*曹华伟张程煜乔生儒曹晓雨（西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室，西安710072）摘要：本文概述了物理气相沉积TiAlN涂层的研究现状及发展趋势，详细分析了制备方法、Al元素含量、N2流量、基体偏压、温度以及其他元素对TiAlN涂层的结构、硬度、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能的影响。

目前制备的TiAlN涂层存在残余应力较大，表面液滴数量较多和涂层致密度差等问题。

为进一步促进TiAlN涂层的应用，今后还需探索该涂层的制备方法，优化其制备工艺。

多元纳米复合涂层和超点阵多层涂层是两个具有潜力的发展方向。

关键词：TiAlN涂层制备方法晶体结构硬度高温抗氧化性综述Recent progresses in physical vapor deposited TiAlN coating CAO Huawei ZHANG Chengyu QIAO Shenru CAO Xiaoyu(National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi′an 710072, China)Abstract: The research and development of physical vapor deposited TiAlN coatings are summarized in the paper. The preparation methods, aluminum content, nitrogen flow rate, substrate bias, temperature and alloying elements had significant effects on the properties of TiAlN coatings, including crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance and corrosion resistance. Although the coating was used in many applications, there were many drawbacks which limit its performance, such as high residual stress, formation of large droplets and poor density. For further application, new preparation method should be explored. Meanwhile, the optimization of the processing technology should be made. It is potential to develop multiple nano-composite coating and superlattice multi-layer coating in the future.Key words: TiAlN coatings, preparation methods, crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance, review0前言*国家自然科学基金面上项目(50702045)；高等学校博士学科点专项科研基金(20070699007)和新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0460)第一作者：曹华伟(1986~)，河南周口，男，西北工业大学超高温结构复合材料实验室研究生、主要研究多弧离子镀TiAlN涂层的结构与性能。

第18卷　第2期1997年　6月金　属　热　处　理　学　报TRANSACTIONS OF METAL HEAT TREATMEN TVol.18　No.2J une1997离子镀TiAl N 超硬膜耐磨性研究张德元　邓　鸣　彭文屹　许兰萍　杨春燕(江西省科学院应用物理研究所)本文收到日期:1996年3月26日初稿,1997年1月10日修改稿本文联系人:张德元,男,1963年10月生,硕士,助理研究员,江西省南昌市(330029)江西省科学院应用物理研究所摘　要　利用扫描电镜、电子探针、X 射线衍射仪及Auger 电子能谱仪对多弧离子镀TiAlN 系超硬薄膜的耐磨性和磨损机理进行了研究。

发现Al 含量约10%时膜层耐磨性较高。

关键词　多弧离子镀　TiAlN 耐磨性　磨损机理人们发现,TiAlN 比TiN 具有更高的耐磨性。

但关于Al 的最佳值说法不一[1～3]。

TiAlN薄膜的失效形式也少见报道。

本文对多弧离子镀(Ti x Al y )N 薄膜含铝量与耐磨性的关系进行探讨。

1　试验方法111　试验设计图1　试验安排示意图Fig.1　Schematic diagram ofexperiment采用4弧离子镀膜机,试样材料为W18Cr4V ,用标准工艺锻造及热处理,硬度为64HRC ,线切割成块,磨削到要求的尺寸。

为简化试验,将纯Ti 靶置于上部两个靶位,而纯Al 靶置于下部靶位。

试样分4组,每组3个磨损试样和1个分析测试试样,分别置于Ti 、Al 靶之间转架上的不同位置随工作台转动(图1)。

试样从上至下依次为No.1、No.2、No.3、No.4。

由于各靶的作用距离有限,必然在上、下方向形成Ti ,Al 离子浓度梯度,从而镀出Ti/Al 比不同的(Ti x Al y )N 薄膜。

从No.1到No.4试样,Al 含量依次增多,Ti 依次减少。

镀膜室内上、下靶位间距450mm ,试样厚度为6mm ,被考察面水平放置,可以认为试样被考察面成份均匀。

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]。