阴极电弧离子镀TiAlSiN涂层的高温抗氧化性能研究
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收稿日期：2016-01-10。 修订日期：2016-04-12。 基金项目：校协同创新基金重点项目（(10120K158004-XTCX2015-4)。 通信联系人：张而耕(1973-)，男，博士，副教授。
致密、完整、连续的Al 2O 3保护膜，提高了涂层的 高温抗氧化性[11-13]。研究表明[14-19]TiAlSiN 涂层的微 观结构以及Si、Al元素的含量变化，涂层晶粒结构 a-Si 3N 4的变化，都会导致其力学特性以及切削性 能不同，高温条件下的热稳定性和抗氧化能力也差 异明显。为此，本文的实验研究利用阴极电弧离子 镀在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层，并在不 同温度下测试了TiAlSiN涂层的抗氧化特性，观察 不同温度下涂层的氧化程度及显微结构，并通过与 TiN、AlTiN涂层进行对比，研究TiAlSiN涂层的高 温抗氧化性能。
（上海应用技术学院机械工程学院，上海 201418）
摘 要：采用阴极电弧离子镀工艺在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层，在箱式电阻炉内对涂层进行了高温抗氧化实验，分
Hale Waihona Puke 析了涂层高温氧化后的表面形貌、断口形貌以及组织成分，并将TiN、AlTiN涂层式样的氧化行为进行对比。结果表明：800 ℃时，TiN、AlTiN涂层均已受到不同程度的氧化破坏，TiN涂层已经失效，TiAlSiN涂层的断口组织均匀，连续性好。通过 能谱分析，引入Si元素涂层表面氧化率低于TiN、AlTiN涂层，使得TiAlSiN涂层的抗氧化性能更好。同时，TiAlSiN涂层在 1000 ℃开始发生氧化破坏，基体边缘受损。
in box resistor-stove, the investigation of surface morphology, microstructure, and composition after coating oxidation were carried out, and the oxidation behaviors of TiN and AlTiN were compared. The results show that both the TiN and AlTiN coatings have different levels of oxidative damage at 800 °C, TiN coatings have been subject to failure, while the TiAlSiN coatings have uniform fracture structure and good continuity. It’s suggested by EDAX that the oxidation rate of the coating surface was lower than AlTiN coatings with the addition of Si, and TiAlSiN coatings show better high temperature oxidation behavior. Moreover, TiAlSiN coating samples were staring to oxidize at 1000°C and its substrate’s edge was damaged.
ZHANG Ergeng, WANG Qinxue, ZHOU Qiong, CHEN Qiang, HUANG Biao
(Shanghai Institute of Technology, Mechanical Engineering College, Shanghai 201418, China) Abstract:TiAlSiN coatings deposited on carbide substrate surface by cathode arc plasma technology were oxidized at different temperature
关键字：阴极电弧；TiAlSiN涂层；微观结构；高温抗氧化性 中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A 文章编号：1000-2278(2016)05-0509-07
Thermal Anti-oxidation Property of TiAlSiN Coatings Deposited by Cathode Arc Plasma
第 37 卷 第 5 期 2016 年第 105 月 第 37 卷 期
DOI：10.13957/ki.tcxb.2016.05.011
Journal of Ceramics
Vol.37 No.5 ·2016 509 · Oct.
阴极电弧离子镀TiAlSiN涂层的高温抗氧化性能研究
张而耕，王琴雪，周 琼，陈强，黄 彪
1 试验方法
Received date: 2016-01-10. Revised date: 2016-04-12. Correspondent author:ZHANG Ergeng(1973-), male, Ph.D., Associate professor. E-mail:zhangeg@
Key words:cathode arc; TiAlSiN coatings; microstructure; thermal oxidation resistance
0 引 言
物理气相沉积技术(Physical VaporDeposition， 简称PVD)可以在加工过程中提高涂层刀具的耐热 性、抗氧化能力，从而提高其使用寿命，因此被广 泛的应用于刀具、模具、机械零部件上[1, 2]，而涂层的 抗高温氧化能力的研究也得到了诸多学者的青睐。 涂层在高温下很容易就发生氧化反应 [3-6]，由 于内部压应力的形成 [7, 8]，裂纹严重时导致涂层剥 落。TiN涂层在600 ℃左右的时候就发生了明显的 氧化现象 [9, 10]，但加入Al、Si元素后，不仅在硬度 和耐磨性等方面优于前者，也大大提高了涂层的耐 高温性能，在高温条件下，TiAlN涂层表面能形成
致密、完整、连续的Al 2O 3保护膜，提高了涂层的 高温抗氧化性[11-13]。研究表明[14-19]TiAlSiN 涂层的微 观结构以及Si、Al元素的含量变化，涂层晶粒结构 a-Si 3N 4的变化，都会导致其力学特性以及切削性 能不同，高温条件下的热稳定性和抗氧化能力也差 异明显。为此，本文的实验研究利用阴极电弧离子 镀在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层，并在不 同温度下测试了TiAlSiN涂层的抗氧化特性，观察 不同温度下涂层的氧化程度及显微结构，并通过与 TiN、AlTiN涂层进行对比，研究TiAlSiN涂层的高 温抗氧化性能。
（上海应用技术学院机械工程学院，上海 201418）
摘 要：采用阴极电弧离子镀工艺在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层，在箱式电阻炉内对涂层进行了高温抗氧化实验，分
Hale Waihona Puke 析了涂层高温氧化后的表面形貌、断口形貌以及组织成分，并将TiN、AlTiN涂层式样的氧化行为进行对比。结果表明：800 ℃时，TiN、AlTiN涂层均已受到不同程度的氧化破坏，TiN涂层已经失效，TiAlSiN涂层的断口组织均匀，连续性好。通过 能谱分析，引入Si元素涂层表面氧化率低于TiN、AlTiN涂层，使得TiAlSiN涂层的抗氧化性能更好。同时，TiAlSiN涂层在 1000 ℃开始发生氧化破坏，基体边缘受损。
in box resistor-stove, the investigation of surface morphology, microstructure, and composition after coating oxidation were carried out, and the oxidation behaviors of TiN and AlTiN were compared. The results show that both the TiN and AlTiN coatings have different levels of oxidative damage at 800 °C, TiN coatings have been subject to failure, while the TiAlSiN coatings have uniform fracture structure and good continuity. It’s suggested by EDAX that the oxidation rate of the coating surface was lower than AlTiN coatings with the addition of Si, and TiAlSiN coatings show better high temperature oxidation behavior. Moreover, TiAlSiN coating samples were staring to oxidize at 1000°C and its substrate’s edge was damaged.
ZHANG Ergeng, WANG Qinxue, ZHOU Qiong, CHEN Qiang, HUANG Biao
(Shanghai Institute of Technology, Mechanical Engineering College, Shanghai 201418, China) Abstract:TiAlSiN coatings deposited on carbide substrate surface by cathode arc plasma technology were oxidized at different temperature
关键字：阴极电弧；TiAlSiN涂层；微观结构；高温抗氧化性 中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A 文章编号：1000-2278(2016)05-0509-07
Thermal Anti-oxidation Property of TiAlSiN Coatings Deposited by Cathode Arc Plasma
第 37 卷 第 5 期 2016 年第 105 月 第 37 卷 期
DOI：10.13957/ki.tcxb.2016.05.011
Journal of Ceramics
Vol.37 No.5 ·2016 509 · Oct.
阴极电弧离子镀TiAlSiN涂层的高温抗氧化性能研究
张而耕，王琴雪，周 琼，陈强，黄 彪
1 试验方法
Received date: 2016-01-10. Revised date: 2016-04-12. Correspondent author:ZHANG Ergeng(1973-), male, Ph.D., Associate professor. E-mail:zhangeg@
Key words:cathode arc; TiAlSiN coatings; microstructure; thermal oxidation resistance
0 引 言
物理气相沉积技术(Physical VaporDeposition， 简称PVD)可以在加工过程中提高涂层刀具的耐热 性、抗氧化能力，从而提高其使用寿命，因此被广 泛的应用于刀具、模具、机械零部件上[1, 2]，而涂层的 抗高温氧化能力的研究也得到了诸多学者的青睐。 涂层在高温下很容易就发生氧化反应 [3-6]，由 于内部压应力的形成 [7, 8]，裂纹严重时导致涂层剥 落。TiN涂层在600 ℃左右的时候就发生了明显的 氧化现象 [9, 10]，但加入Al、Si元素后，不仅在硬度 和耐磨性等方面优于前者，也大大提高了涂层的耐 高温性能，在高温条件下，TiAlN涂层表面能形成