用于Ti-6Al-4V合金微铣削的HiPIMS沉积硬涂层的微裂纹韧性及耐久性

《Surface and Coatings Technology》：Micro-fracture toughness and durability of HiPIMS-deposited hard coatings used for micro-milling of Ti 6Al 4V alloys

纳米级溅射镀膜技术制备的双层AlTiN/TiSiN与梯度AlTiSiN涂层，通过高能脉冲磁控溅射沉积，系统评估了其断裂韧性和微加工性能。研究发现梯度涂层硬度（32 GPa）低于双层涂层（41 GPa），但韧性（1.6 MPa·m?.?）更优，且无裂纹形成，使微钻头连续加工时间延长至40分钟，显著优于双层的1小时30分钟。测试表明涂层致密均匀，具有（200）晶相特征，残余应力与断裂韧性相关，其中高电流密度梯度涂层的微结构优化效果显著。

　　本研究聚焦于两种基于AlTiN的硬质涂层结构，即双层结构（AlTiN/TiSiN）和梯度结构（AlTiSiN），这些涂层通过高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术进行沉积。研究的核心目标在于系统评估这两种涂层的断裂韧性以及在微加工中的表现。研究团队采用了高（I_HD）和低（I_LD）电流密度的沉积条件，以探究其对涂层微观结构和性能的影响。通过对涂层进行微机械测试，包括纳米压痕和原位扫描电子显微镜（SEM）微断裂测试，研究发现双层结构AlTiN/TiSiN在硬度和断裂韧性方面均优于梯度结构AlTiSiN。具体而言，双层结构的硬度为41 GPa，断裂韧性为2.8 MPa·m^0.5，而梯度结构的硬度为33 GPa，断裂韧性为1.6 MPa·m^0.5。这一差异在微钻头的切割边缘表现尤为明显，其中梯度结构AlTiSiN（I_HD）在加工Ti6Al4V合金时，工具寿命仅为40分钟，而双层结构的工具寿命则延长至1小时30分钟。因此，双层结构在微加工领域展现出更优异的工具耐用性，这与更高的断裂韧性、硬度以及切割边缘无裂纹的特性密切相关。

钛合金因其低密度、良好的抗腐蚀性能和高比强度，成为航空航天和消费电子领域的重要材料。然而，钛合金的加工性能较差，这使得其在实际应用中受到一定限制。在高温条件下，加工钛合金需要工具具备高硬度，同时还需要足够的韧性以承受加工过程中的中断和振动。此外，微加工钛合金时，由于尺寸效应的存在，切屑的形成机制与常规加工不同，导致单位体积切屑的能耗增加。同时，工具的尺寸特征，如刃口半径和切屑厚度，与被加工材料的微观结构和不规则性相近，可能引发工具的早期失效。这些因素使得工具寿命的预测变得更加复杂，并对表面质量提出了更高的要求，这在许多精密应用中至关重要。

为应对这些挑战，物理气相沉积（PVD）技术在硬质涂层领域的应用日益受到重视。PVD涂层不仅能够延长工具寿命，还能确保最终零件的表面质量。其中，TiAlN涂层因其比TiN体系更高的硬度和热稳定性，成为切削工具中广泛使用的PVD涂层。Al元素的引入改变了涂层的形态，形成了固溶强化效应，并有助于在高温环境下形成保护层。此外，Si元素的添加也被证明能够提升TiN和TiAlN的耐磨性能。TiSiN和AlTiSiN涂层相比TiAlN表现出更强的抗磨损能力，而Si的引入能够促进晶粒细化，并在适当的沉积条件下形成由Ti（Al）N立方相纳米晶粒和非晶态SiN_x组织层组成的硬质复合结构。

在许多情况下，硬质氮化物涂层是通过直流磁控溅射技术沉积的。然而，对于形状复杂的工具，需要更高的硬度和更好的涂层厚度均匀性以满足不同切削应用的需求。因此，提高涂层的硬度、韧性以及厚度均匀性成为研究的重点。HiPIMS技术作为一种先进的沉积方法，能够通过在短时间内施加高能量脉冲并保持较低的占空比，实现高功率密度的靶材激发。这种技术产生的高密度等离子体使得溅射气体和高能靶材离子同时参与沉积过程，从而能够制备出高度致密且表面光滑的涂层，实现更优的覆盖效果。

在实际应用中，硬质涂层的性能往往存在一个权衡关系，即强度的提高通常会伴随断裂韧性的降低，反之亦然。因此，对涂层结构的广泛机械性能表征对于优化其功能以满足特定应用需求至关重要。然而，由于涂层的尺度较小，传统的宏观测试方法难以准确测量其断裂韧性。为此，纳米压痕技术成为评估硬质涂层断裂韧性的重要手段，它能够提供更精确的力学性能数据，从而为涂层设计和性能优化提供科学依据。

本研究进一步探讨了HiPIMS沉积条件下，电流密度对梯度结构AlTiSiN涂层性能的影响。通过系统分析双层结构和梯度结构在不同电流密度下的表现，研究团队试图优化梯度结构的性能，使其在保持良好硬度的同时，也具备更高的断裂韧性。这一研究不仅有助于理解涂层结构与性能之间的关系，也为开发更适用于微加工的硬质涂层提供了理论支持和技术方向。特别是在加工高难度材料如Ti6Al4V合金时，双层结构AlTiN/TiSiN展现出更优异的性能，这表明其在实际工程应用中具有更大的潜力。

通过SEM图像和化学成分分析，研究团队对两种涂层的微观结构进行了深入探讨。图3展示了双层结构AlTiN/TiSiN和梯度结构AlTiSiN的截面SEM图像，而表II则总结了其整体化学成分（原子百分比）。结果显示，双层结构的Al含量相对较低，因为Al仅来源于底部的AlTiN缓冲层。相比之下，梯度结构的Al含量则取决于沉积条件，特别是在高电流密度（I_HD）和低电流密度（I_LD）下的不同表现。此外，硅元素的含量也因结构不同而有所差异，仅在双层结构的顶部TiSiN层中存在。这种成分分布的差异直接影响了涂层的机械性能和热稳定性，进而影响其在微加工中的表现。

在讨论部分，研究团队推测双层结构AlTiN/TiSiN涂层中较高的压缩残余应力可能与钛元素含量较高有关，尤其是在顶部TiSiN层中。Greczynski及其合作者的研究表明，在高度脉冲操作条件下，钛靶材的高离子化水平会增加涂层内部的压缩残余应力。这种应力的分布对涂层的机械性能具有重要影响，特别是在加工过程中，残余应力可能影响涂层的裂纹扩展行为，从而影响工具的寿命和表面质量。因此，对残余应力的控制成为优化涂层性能的关键因素之一。

此外，研究还发现，双层结构AlTiN/TiSiN在沉积过程中能够形成更均匀的组织结构，这有助于提升涂层的整体性能。同时，该涂层在沉积过程中避免了不希望出现的纤锌矿型AlN六方析出物，这种析出物可能会对涂层的性能产生不利影响。而梯度结构AlTiSiN在不同电流密度下的表现则显示出一定的差异，这表明沉积参数对涂层性能具有显著影响。因此，通过调控沉积条件，如电流密度，可以进一步优化梯度结构的性能，使其在保持硬度的同时，也具备更高的断裂韧性。

研究团队还对两种涂层在微加工中的实际应用进行了分析。在Ti6Al4V合金的微铣削测试中，双层结构AlTiN/TiSiN涂层表现出更长的工具寿命，这与其较高的硬度和断裂韧性密切相关。相比之下，梯度结构AlTiSiN（I_HD）的工具寿命较短，可能与其较低的硬度和断裂韧性有关。然而，梯度结构AlTiSiN（I_LD）在某些条件下可能展现出不同的性能，这为未来的涂层优化提供了新的思路。此外，研究团队还指出，涂层在切割边缘的均匀生长对工具寿命和表面质量具有重要影响，因此在沉积过程中需要特别关注这一方面。

从研究结果来看，双层结构AlTiN/TiSiN在微加工应用中展现出更优异的性能，这主要归因于其较高的硬度和断裂韧性，以及在切割边缘无裂纹的特性。这些性能优势使得双层结构成为加工高难度材料的理想选择，特别是在航空航天和精密制造等领域。然而，梯度结构AlTiSiN也展现出一定的应用潜力，特别是在需要更均匀涂层厚度的场合。因此，未来的研究可以进一步探索如何通过调整沉积参数，如电流密度，来优化梯度结构的性能，使其在保持硬度的同时，也具备更高的断裂韧性。

研究团队在结论部分强调了这两种涂层结构在实际应用中的重要性。双层结构和梯度结构的硬质涂层通过HiPIMS技术沉积，展现出良好的机械性能，包括较高的硬度和密度，以及在TiN相中表现出的（200）择优取向。这些特性使得涂层在微加工过程中能够有效减少磨损，延长工具寿命，并保持良好的表面质量。此外，研究还指出，两种涂层在沉积过程中均未形成不希望出现的AlN析出物，这表明其在热稳定性和结构均匀性方面表现良好。因此，这些涂层不仅适用于加工高难度材料，还可能在其他需要高硬度和高韧性的应用中发挥重要作用。

为了进一步推动硬质涂层技术的发展，研究团队提出了未来的研究方向。一方面，需要深入理解不同沉积参数对涂层性能的影响，以实现更精确的涂层设计和优化。另一方面，研究团队建议探索更多类型的涂层结构，以满足不同加工需求。例如，通过引入其他元素或调整涂层成分比例，可以进一步提升涂层的综合性能。此外，研究还指出，纳米压痕技术在评估涂层断裂韧性方面的应用具有重要意义，未来可以结合其他先进的测试方法，如原位SEM测试，以获得更全面的涂层性能数据。

最后，研究团队对本文的作者贡献进行了说明。A. Garcia-Carrero在论文的撰写、审阅、可视化、验证、方法论、调查和形式分析方面做出了重要贡献。M.A. Monclús则负责论文的撰写、审阅、监督、方法论、调查、资金获取和形式分析。J.A. Santiago参与了论文的撰写、审阅和概念设计。P. Díaz-Rodríguez负责论文的撰写、审阅、方法论和调查。I. Fernández Martínez则参与了论文的撰写、审阅和形式分析。研究团队还声明，他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系，这表明研究结果的客观性和可靠性。此外，研究团队感谢来自西班牙马德里地区政府和德国科学基金会（DFG）的资助支持，这些资金为研究提供了重要的资源和保障。

综上所述，本研究通过系统评估双层结构和梯度结构AlTiN基硬质涂层的机械性能，揭示了涂层结构与性能之间的关系。研究结果表明，双层结构AlTiN/TiSiN在微加工中表现出更优异的性能，特别是在加工Ti6Al4V合金时，其工具寿命显著高于梯度结构AlTiSiN。这些发现不仅为硬质涂层的设计和优化提供了理论支持，也为实际工程应用提供了重要的指导。未来的研究可以进一步探索如何通过调整沉积条件，如电流密度，来提升梯度结构的性能，使其在保持硬度的同时，也具备更高的断裂韧性。此外，结合多种先进的测试方法，如纳米压痕和原位SEM测试，可以更全面地评估涂层的性能，从而推动硬质涂层技术的持续发展。