TiN涂层合金化的研究现状与展望

摘要：表面涂镀技术可以根据零部件或者元器件的用途方便地选择或者设计表面材料的成分，控制表面性能，因而应用广泛。TiN是迄今应用最广的硬质涂层，而TiN涂层的合金化使得TiN涂层的性能进一步优化。本文综述了TiN涂层合金化的研究现状和进展，展望了TiN涂层合金化的发展前景。

关键词：TiN涂层；合金化；研究现状

1 前言

在提倡资源合理化利用的今天，采用表面涂镀技术取代整体合金化，赋予材料表面特殊的性能，一方面可以节约原材料，另一方面可以大幅度提高零部件的耐磨性、耐蚀性，而且提高了劳动生产率，降低了生产成本。据统计，全世界各发达国家仅仅因磨损、腐蚀造成的经济损失就占各国国民生产总值的3%-5%[1].因此，提高材料表面的耐磨性和耐蚀性具有重要的现实意义。而物理气相沉积（PVD）TiN涂层是应用最广泛的一种表面强化技术[2].

TiN涂层具有硬度高、韧性好、结合强度高、摩擦系数小和化学性能稳定等优点而被广泛应用于切削刀具等零件的表面涂层。但是TiN有较低的氧化阻力，因此恶化了涂覆的EMC（Epoxy Molding Compound）的磨损抗力[3].因此，如何进一步加强与改善TiN涂层的综合性能仍是人们所关心的问题。而在TiN涂层中加入合金化元素Al、B、C、Cr、稀土等，能够大大提高其性能，这也是研究者们近年来不断努力的方向。

2 TiN涂层的合金化研究

2.1 Ti-Al-N

TiN膜在600℃以上易形成TiO2层，由于TiO2与TiN的摩尔体积不同使膜层产生压应力，导致氧化层剥落使涂层进一步氧化[4].而加入铝元素之后形成了致密的保护膜Al2O3，提高了膜层的高温抗氧化性。

汝强等人[5]对钛合金表面电弧离子镀TiAlN涂层的抗高温氧化性能进行了研究。研究发现，涂层进行了选择性氧化，外层生成富Al层而内层生成富Ti层。运用AES结合XPS技术分析后发现，高温下形成致密的Al2O3层可以阻止基体与外界氧介质的通道。该研究还发现，室温下TiAlN涂层可以改善合金的黏着磨损状况。

赵立新，郑立允[6]研究了TiAlN涂层的切削性能。研究发现，TiAlN涂层的切削性能明显优于未涂层的金属陶瓷和硬质合金YW2.该研究也指出，TiAlN涂层与集体的结合强度很好，失效形式也没有涂层剥落的现象。

2.2 Ti-C-N

加入C元素之后，通过C原子的固溶和析出形成面心立方结构的Ti（C，N）薄膜，具有稳定的高温强度，良好的摩擦性能和耐酸碱腐蚀性能。

周颐辛等人[7]对离子镀TiCN的微观结构与切削性能进行了研究。研究中发现，离子镀TiCN涂层呈现单相的NaCl结构，硬度为34.6GPa远高于TiN涂层的25.1GPa.在高速铣削的条件下，TiCN涂层硬质合金铣刀的磨损量仅为TiN涂层的三分之一。

唐达培等人[8]对Ti（C，N）的性能也进行了研究。该研究主要分析了影响涂层性能的因素，包括制备工艺、择优取向、温度、基体、化学组分等。研究发现，适当的制备工艺和恰到好处的使用环境能够使Ti（C，N）硬质合金发挥其最优性能。

2.3 Ti-B-N

闻立时等人[9]研究了离子镀Ti-B-N膜层的显微结构，证明了它具有简单正交、简单六方、面心立方的多相结构，综合了多种相的综合性能，具有超高硬度，好的界面结合强度及好的摩擦性能，克服了单相磨蹭的局限性。

李戈扬等人[10]运用XRD和TEM技术对Ti-B-N薄膜进行了晶化研究，证明了镀态Ti-B-N薄膜为非晶态化合物，硬度很高，达到HK2470.薄膜经过热处理晶化形成TiN结构类型的Ti（N，B）时，硬度会有所降低。

2.4 加入稀土元素

有研究表明，加入稀土元素之后，孔隙率和耐磨性指标均比未加入稀土元素的TiN涂层有所改善。邱秀丽等人[11]通过研究发现，添加稀土元素Ce后，涂层的致密性、抗氧化性和膜基结合强度提高，（Ti，Ce）N涂层的磨痕宽度及磨损程度有明显改善。

3 结语

随着机械制造要求的提高和生产工艺的发展，对切削刀具提出了更高的要求。研究出更大载荷范围内的，具有高耐磨性、耐蚀性的涂层，是适应越来越发展的生产工艺的需要。TiN涂层虽然具有比较优异的性能，但低的氧化阻力限制了其在工业生产中的进一步应用。合金化后的TiN涂层，综合性能得到进一步的优化。在保持原有基本性能的基础上，进一步研制出适用范围更广，制备工艺和流程更简单的合金化TiN涂层是今后研究的一大趋势。当然，开发新型的高性能涂层，降低涂层制备的成本是也是研究者们努力的方向。这还有待我们进一步的探讨与分析。

参考文献

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[4] U.Wahlstrm，L Hultman and J E.Sundgren etal.Crystal growth and microstructure of polycrystalline TiAlN alloy filma deposited by ultra-high-vacuum dual-target magnetron sputtering.Thin Solid Films，235（1993）：62.

[5] 汝强，胡社军，黄拿灿，赵灵智，邱秀丽，胡显奇。钛合金表面电弧离子镀TiAlN涂层的抗高温氧化性能研究[J].材料保护，2007，40（1）：28-31.

[6] 赵立新，郑立允。TiN\TiAlN涂层Ti（C，N）基金属陶瓷刀具的切削性能[J].金属热处理，2009，34（2）：18-20.

[7] 周颐辛，祝新发，张晶晶，钟宁，李戈杨。离子镀TiCN和TiN工具涂层的微观结构与切削性能[J].工具技术，2010，44（11）：18-21.

[8] 唐达培，高庆，江晓禹。TiN，TiC和Ti（C，N）涂层的性能及影响因素[J].材料保护，2005，38（3）：42-46.

[9] 闻立时，陈秀芝，杨巧勤，郑玉芹，庄育智。Ti-B-N薄膜结构与性能的初步研究[J].真空科学与技术，1987，7（1）：31-34.

[10]李戈杨，王公耀，李鹏兴，王纪文，王永瑞。非晶态Ti-B-N薄膜制备及晶化研究[J].材料工程，1998，10：19-21.

[11]邱秀丽，汝强，胡社军，黄拿灿。电弧离子镀（Ti，Ce）N涂层组织与性能研究[J].材料研究与应用，2007，1（1）：27-30.