TiN系涂层多元多层强化研究进展（三）

xzxfx

　　研究发现,一些纳米复合薄膜如HfB2、Ti(Al)N、TiN等的高硬度是来自于涂层内部高的平面应力，当退火温度大于400℃时，其应力会降低到2GPa左右，相应的硬度值会降低到块体材料的硬度。这样就限制了作为刀具材料的应用，因为一些刀具的切削温度通常达到600～800℃。同时用物理气相沉积法制备多元膜时往往会发生多元膜的成分偏离靶材的设计成分，这种现象成为成分离析效应。由于影响成分分离效应的因素较复杂，在沉积过程中，往往不易精确控制膜中的多元成分含量，这不仅影响了膜层的组织结构及其重现性，而且还影响了膜层的性能。
$ U3 C: H$ l% c7 g) \" j0 T/ ]  ?　　总之，将氮化物、碳化物、氧化物和硼化物组合起来，组成种类繁多的复合型化合物和固溶体薄膜，并结合着纳米技术的发展，可以制备满足不同领域特殊要求的涂层，这是一个极有发展前途的研究方向。
3 ^( s7 C- M$ H* m7 E" W　　2.2多层涂层的发展
% q6 x% b0 w. k( I( B　　金属多层膜是一种金属或合金沉积在另一金属或合金上形成的组分或结构周期性变化的材料，每相邻两层形成一个周期，称为调制周期λ。由于多层膜材料具有较强的界面效应、层间耦合效应等，因此显示出与单层膜许多不同的特性。
; T: U. J: a1 T　　在硬质合金刀片的涂层研究中，TiC/TiCN/TiN三层叠加膜是第一个应用的多层膜，应用较多的还有TiN/TiCN，TiC/TiCN，TiN/ZrN等多层涂层。多层膜的性能与调制周期与其组织结构有关，通过多层膜结构可以提高涂层韧性，其增韧机制主要是裂纹尖端钝化、裂纹分支及沿界面的界面开裂等。自90年代以来人们更加注重多层技术的发展，由于TiN涂层具有良好的韧性，用其作为多层膜的间隔层，表现出优良的机械及化学特性。在多层复合技术的应用中，TiN/(Ti，Al)N、TiN/Ti(C，N)、TiN/CrN、TiN+TiCN+TiAlN、TiN+TiCN+Al2O3等在改善镀层的韧性、耐磨性和耐腐蚀性方面，取得了良好的效果。由于纳米复合结构的薄膜具有很好的韧化效果，特别是第二相为软质相时具有较好的韧性配合。通过合理的设计可以获得高的硬度、良好的韧性及抗氧化性的多层膜结构。
) ?4 M8 v* B0 P  G/ q9 ^　　以往，对硬质薄膜的研究中对涂层结合力关注不够。从实用化的观点看，结合力问题甚至比硬度的进一步提高更重要。一般氮化物层的硬度越高,则涂层脆性增加,有效结合力会降低。大量实验已表明：在过渡层上直接沉积TiN涂层其结合力不佳，通过预沉积一定厚度的纯Ti层，然后再沉积TiN层，可明显的改善这种情况，并且在适当的条件下，基体和Ti层之间可形成Fe和Ti的伪扩散层。用预镀层改善结合力的机理认为是界面的应力协调,降低界面和镀层的内应力，阻止界面区裂纹的扩展。TiN涂层的硬度一般要高于基体的硬度其弹性模量也有较大的差距，而软的基体又无法承受高的载荷。预沉积Ti层，能降低界面间的残余应力，并使应力的不连续程度得到缓和，提高塑性抗力。也可通过成分梯度减少TiN薄膜和基体的成分或热膨胀差距，如在高速钢上沉积(Ti,Cr)N时，可采用基体/Cr/CrN/CrN过渡/(Ti,Cr)N的膜层设计。
　　Simmonda等用磁控溅射的方法制备了Ti/TiN、Au/TiN等多层膜，认为软层Ti、Au通过剪切应变可以吸收划痕时的能量，从而提高结合力。文献[28]采用大变形弹塑性有限单元法分析了在高速钢基体上的Ti/TiN软硬交替多层膜应力应变的响应，指出在软硬交替多层膜体系中软层起到剪切带的作用，使硬层之间保持低的应力水平的情况下产生一定的相对滑动，缓解膜层和界面应力。
　　当多层膜中相临膜的厚度为纳米级时称为纳米多层膜。当λ在微米尺度范围内时，多层膜的硬度按照Hall-Petch方程随λ的减小而上升，当λ在纳米尺度范围内时，其硬度不再受此规律的制约。Yang发现在Au/Ni和Cu/Pd纳米多层膜中，薄膜的弹性模量和硬度在小调制周期时存在异常升高的超模量和超硬度效应。陶瓷多层膜如TiN/VN、TiN/CrN、TiN/ZrN、TiN/TaN、CNx/ZrN中也发现了超硬现象。因此通过适当的亚层组合可获得同时兼具高硬度和良好韧性的力学薄膜。在理论上对超硬现象有多种解释，如早期Koehler的复合材料强化以及后来的量子电子效应、协调应变理论和界面应力模型等。但这些模型只能部分解释各自体系中的硬化现象。
7 W  b1 o- k: Q6 H& \% N4 A9 `0 g文章关键词：