组元配比对TiAlZrN硬质膜微观组织、相结构及性能影响研究.pdf

摘要

TiAlZrN硬质膜在四组元金属(XYZ)N硬质膜中是结合力好，硬度高的膜层

MMM

之一，拥有广阔的发展前景。然而，其不同金属组元配比之间的影响以及对膜层结构

和性能的影响非常复杂。本文采用多弧离子镀技术，利用不同成分的弧源靶两两组合

共沉积的方式，通过调控沉积工艺参数，制备了一系列氮含量相同，金属元素组元比

例不同的TiAlZrN硬质膜，并对TiAlZrN硬质膜的表面/断面形貌、表面/断面成分、

相组成、表面显微硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行了表征，探究金属元素组元

比例变化对膜层组织形貌、相结构及力学性能的影响。建立TiAlZrN硬质膜中金属组

元比例与力学性能之间的构效关系。为设计具有良好综合性能的四组元氮化物硬质膜

提供研究依据。

研究结果表明：所有制备的TiAlZrN硬质膜都为面心立方晶体结构并拥有(111)

面择优生长取向。在膜层中Ti含量(32-39at%)基本一致前提下，膜层中Al/Zr摩尔比

小于0.48时会形成分离的TiAlZrN相，并且随着Al/Zr摩尔比的增大分离相会逐渐融

合，Al/Zr摩尔比为1.32的TiAlZrN膜在(111)面衍射峰上表现为单一TiAlZrN相。

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Al/Zr摩尔比大于0.17才会提高膜层的硬度，TiAlZrN膜实现硬度最大值4000HV。

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在膜层中Al含量(35-37at%)基本一致时，膜层硬度不随Zr/Ti摩尔比的变化而单调变

化，TiAlZrN膜在此条件下拥有硬度极大值4600HV。当TiAlZrN硬质膜中Al、

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Ti的含量分别在(7-16at%)、(33-48at%)范围内增加，而Zr含量相应的在(60-36at%)范

围内减少时，膜层硬度呈现单调递增的变化趋势。靶成分和电流差异对膜层的厚度产

生影响，相对较厚的TiAlZrN膜层结合力能达到临界载荷200N以上。TiAlZrN硬质

膜的摩擦系数会受到膜层成分、硬度、膜层表面粗糙度等多种因素影响。膜层表面液

滴较少时，主要磨损机理为磨粒磨损，液滴颗粒增多时，磨损机理为粘着磨损和磨粒

磨损。综合考虑硬度、结合力以及耐磨性等性能，TiAlZrN膜具有最佳成分配比。

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关键词：TiAlZrN硬质膜，组元配比，相结构，硬度，附着力，摩擦磨损性

I

EffectsofCompositionRatioonMicrostructure,PhaseStructure

andPropertiesofTiAlZrNHardFilms

Abstract

TiAlZrNhardfilmsisoneofthefour-componentmetal(XYZ)Nhardfilmswith

MMM

goodadhesionandhighhardness,whichhasbroaddevelopmentprospects.However,the

influencebetweendifferentmetalcomponentratiosandtheinfluenceonthestructureand

propertiesofthefilmsisverycomplex.Inthispaper,aseriesofTiAlZrNhardfilmswith

thesamenitrogencontentanddifferentmetalcomponentratioswerepreparedbyusing

multi-arc