AlCrN/AlTiN纳米多层涂层的微观结构与性能研究

随着加工制造业的快速发展，难加工材料日益增多，TiN、CrN等二元涂层已经无法满足现代工业化要求。近年来，AlCrN、AlTiN 等涂层因具有较高的硬度、耐磨性和抗高温氧化性能，引起人们的广泛关注。AlCrN涂层在高温条件下能够形成致密的Cr₂O₃和Al₂O₃混合氧化膜，有效阻止 O 向涂层内部扩散，降低氧化速率，增强涂层的抗高温氧化性能。但在高温下AlCrN涂层发生 CrN→Cr₂N→Cr相转变，使涂层的红硬性下降。TiAlN 涂层具有高的硬度和耐磨性能，但在高温大气条件下，涂层中Ti元素容易发生氧化生成疏松多孔的TiO₂，抗氧化性较差。本文综合利用 AlCrN 和 AlTiN 涂层的优点，采用磁控溅射与电弧离子镀复合技术制备了 AlCrN/AlTiN 纳米多层涂层，研究了沉积偏压和N₂/Ar比对涂层微观结构和性能的影响，研究结果如下：不同偏压和N₂/Ar比下制备的AlCrN/AlTiN纳米多层涂层均为单一的fcc-(Al,Cr,Ti)N相，沿(111)晶面择优生长。随着偏压增加，沉积速率先增大后减小，表面粗糙度逐渐降低。当偏压为-180V时，硬度和弹性模量达到最大值，分别为33.0GPa和597.6GPa。偏压为-150V时涂层的磨损率最低为1.39×10^-7mm³/(N·m)，表现出最佳的抗摩擦磨损性能。随着N₂/Ar的增大，涂层的硬度和弹性模量呈先上升后下降的趋势。当N₂/Ar比为4/1时，涂层的硬度(H)和弹性模量(E^*)分别获得最大值36.8GPa和668.9GPa，以及最低的磨损率5.0×10^-8mm³/(N· m)，表现出最好的抗摩擦磨损性能。与AlCrN、AlTiN单层涂层相比，AlCrN/AlTiN纳米多层涂层具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。
 

AlCrN/AlTiN纳米多层涂层，组织结构，力学性能，摩擦磨损性能，切削性能