新型纳米涂层及其设备

在高性能刀具涂层中，(Ti,Al)N类涂层的市场份额约占25%～55%。这是由于(Ti,Al)N类涂层的优良性能，包括很高的硬度(25～38GPa)和较低的内应力(-3～5GPa)，并且在800℃时硬度只降低30%～40%；此外，还显示出很高的抗氧化能力，在800℃时，氧化速度约为15～20μm/cm，这相当于TiCN涂层在400℃时或TiN涂层在550℃时的氧化速率；最后，这种涂层的导热率低，与TiN涂层相比，其导入的热量低30%。
 
 目前，涂层行业还在做大量的工作，以进一步改进(Ti，Al)N类涂层的优良性能，例如：
 
 ·把多弧工艺和溅射工艺组合起来；
 ·对多弧工艺中产生的大的液滴进行过滤；
 ·优化工艺参数(如弧流、偏压、N2的分压等)；
 ·优化涂层的结构(如避免柱状结构以提高抗腐蚀能力)；
 ·开发多层涂层以提高韧性和厚度；
 ·添加其它合金元素如铬、钇(进一步提高氧化能力)、锆、钒、硼、铪(进一步提高韧性)以及硅(进一步提高硬度和化学稳定性)。
 
 这些优化(Ti,Al)N类涂层工作的主要任务是，开发纳米多层涂层和提高Al的含量。
 
 开发纳米多层涂层和提高涂层的含Al量
 
 把现有的多层涂层工艺精细化就可以实现纳米多层。在由TiNCrN层与AlN层交替涂覆形成的纳米多层涂层中，层间的距离(交替的周期)对硬度的影响表现为硬度随着周期的减小而提高，其原因是构成多层的材料具有不同的弹性模量；当层距变得更小时，硬度又会下降，这是因为各层之间的界面变得不清晰所致，如果界面清晰，不会现出硬度降低的现象。关于涂层的结构，有研究指出，AlN在层距大于10nm时为六方结构，在10nm以下为立方结构。
 
 涂覆纳米涂层必须对阴极靶的控制与工件(刀具)的转动实现精确的同步，因此，适用于对同一种工件的批量处理，如果处理的是不同尺寸的工件，那么层距就会变化，一把涂有层距变化的纳米涂层刀具，其耐用度会由于切削温度的变化而降低。要想在一次装炉中在不同的工件上涂出不变的层距，涂层的成本会很高。
 
 与此同时，世界上著名的涂层公司都在研究提高(Ti,Al)N类涂层的Al含量，目的是提高硬度(主要是高温硬度)、耐磨性、抗氧化能力，以改进刀具的切削性能。为了与通常的TiAlN涂层有所区别，目前把Al含量超过50%的涂层称为AlTiN。于是有了含Al量67%、75%，甚至80%的涂层，但Al的含量是有限变的，超过这个限度，涂层的性能反而变坏。实践证明，一方面要尽量提高有效的铝含量，同时又要保持不变的层距，这很难做到。因此，只有用新的原理才能有新的突破，下面介绍的纳米复合物(Nanocomposite)涂层就可满足上述要求。
 
 纳米复合物(Nanocomposite)涂层
 
 通过同时沉积几种性质很不同的材料(如Ti、Al、Si)，且形成的组织成分没有完全分解，就会形成两相组织——TiAlN的纳米晶粒镶嵌在非晶态的Si3N4基体里，形成蜂窝结构，其晶界能起阻断裂缝进一步延伸的作用。这个涂层除了有很高的硬度外，其耐热性也很好，硬度可保持到1100℃，很适合高效、干式切削加工的需要。此外，把纳米复合物涂层与纳米多层结构相结合，其性能更好。该多层涂层的层距为35。
 
 这种涂层结构只有在多弧设备的阴极相互之间靠得很近的情况下才能实现，这就是瑞士platit公司开发的LARC技术和设备。
 
 为了使纳米复合物涂层能经济地应用于工业生产，其涂层设备必须满足以下条件：
 
 ·阴极必须相互靠得很近；
 ·有高度离子化的等离子体；
 ·能建立很高的磁场强度；
 ·能很快移动的弧点。

LARC技术的六大优点
 
 为了满足上述要求，platit公司开发出一个新的涂层设备，该设备采用了所谓LARC(LAteral Rotating ARC Cathods)——侧装的可旋转的弧阴极技术。该涂层设备的靶是旋转的水冷阴极，磁场由永久磁铁和线圈产生，并可在垂直方向和径向进行控制。可旋转的阴极及侧立的布局是下述LARC技术六大优点的基础。
 
 1) 最佳的附着涂层
 
 所有高性能涂层最重要的前提是涂层与基体的附着性好，布置在侧面的圆柱形的旋转阴极可实现靶的“虚拟转换(Virture Shutter)”，来代替用机械装置实现的转换。这种“虚拟转换”的工作方式为：磁场向后转180°，使阴极对着设备后壁的表面并被“点弧”，目的是在正式涂层过程开始前清洗靶面，并使大的颗粒沉积在后壁上，此时，刀具的表面由高强度的等离子体加以清洁；然后，阴极和磁场均旋转180°，阴极弧不用熄灭就转向刀具开始沉积过程，此时沉积到刀具基体上附着层是清洁的靶材，有很好的附着性，并显著缩短了离子刻蚀的时间。
 
 2) 加大了靶的宽度
 
 可旋转的圆柱形阴极相当于一个很宽的平面阴极，比占有相同空间的平面靶的宽度增加了π倍。
 
 3) 提高了涂层的光洁度
 
 在通常的多弧工艺里，大部分的液滴都是在开始时散射出来，即在起弧时在靶的一个固定点上形成大的“熔池”，而这些大的液滴在LARC技术里都沉积在设备的后壁上。此外，在沉积时“液滴”的数量及大小取决于弧点移动的速度等因素。对于目前流行的平面靶，弧点的多动只靠磁场的作用，而在旋转靶上弧点的移动更快、更均匀，因为附加了一个靶的转动和宽磁场在垂直方向的摆动。
 
 4) 可涂覆纳米复合物涂层
 
 布置在侧面的圆柱形阴极只需要不大的空间，因此可在一个很小的空间里配置更多的阴极，从而可在一个小型的设备里沉积不同的金属成分。由于快速的相对运动，使得低熔点的金属(纯Al或AlSi)也能作为靶材，以替代贵重的合金靶(如Al25%/Ti75%或Al50%/Ti50%)。
 
 由于多种原因，还不能用纯Si制作靶，Si是用合金靶(如AlSi、CrSi、TiSi等)来沉积的，由这样的靶沉积以后，AlSi还需要被分开，Si没有进入金属相，而是纳米晶粒镶嵌在非晶态的基体里(如Si3N4)。这要求一个很高密度的等离子体和高强度的磁场，一个很强的磁场产生一个快速移动的弧点(不必担心靶会烧穿)，所沉积的纳米复合物涂层显示出很小的晶粒尺寸，在晶粒之间没有缺陷，边界十分清晰，裂缝被阻断在晶界上，硬度很高。
 
 5) 可涂覆纳米梯度涂层
 
 因为可使用多个“纯”靶(如纯Ti,Al和AlSi)，通过编程可很方便地涂覆复合物涂层，并且可在涂层过程中连续地改变成分—－梯度涂层。以LARC梯度涂层为例，开始时Al比Ti沉积滞后，形成一个最佳的附着层，此后，Al含量连续增加，以提高涂层的硬度、热强度和抗氧化能力，快结束时，Al的含量下降，Ti的含量相对提高，形成金色的外表。
 
 6) 可涂覆多层纳米涂层
 
 多层的纳米涂层是周期性涂覆梯度层，通常高的硬度会产生高的内应力，采用梯度多层结构内应力可低至-3～-5GPa。
 
 小型的涂层设备
 
 第一台LARC设备与现在刀具制造商现有的涂层设备相比是非常小的，这有很多原因：首先，涂层不应是大的涂层服务商或刀具制造商的特权，中小企业应自己能沉积最新的涂层；其次，新涂层代替现有的TiAlN涂层还有一个过程，纳米结构涂层的需求在最近几年会不断增加，到那时才会需要更大的设备。
 
 在掌握了小型的LARC涂层设备之后，放大是很容易的。难的是阴极必须设计成成双的并且是相互紧挨着的，因为纳米复合物涂层是多层结构，AlN层和TiN层只能保持在10nm的范围里，否则会造成硬度下降，这就要求阴极不能远离。
 
 此外，较小的设备可以经济地涂覆少量的工件，用户不必将完全不同的零件放在一起涂，一个小设备的生产效率绝不比大设备低，相反，柔性会更好，能保证企业的交货周期。小设备为制造商带来的效益不多，但从长远来看还是值得的。
 
 发展前景
 
 (Ti,Al)N类的涂层，目前是高性能刀具的主要涂层，进一步发展纳米涂层和AlTiN涂层，由于物理学上的制约条件而受阻，本文介绍的纳米复合物涂层能够突破这个限制，采用新的LARC技术，利用侧面配置的可旋转的圆柱形阴极就能获得这样的涂层，为了沉积有竞争力的、能适合应用条件的、简单或复杂的涂层结构，人们需要的不是更大更贵的涂层设备，小型设备能使中小企业用LARC(设备沉积最新的纳米结构涂层)。