[00119437]脉冲偏压电弧离子镀技术在纳米多层薄膜制备中的应用研究

本课题来源于河南省科技厅科技攻关计划项目（122102210459）“脉冲偏压电弧离子镀技术在纳米多层薄膜制备中的应用研究”,主要针对硬质薄膜制备具有实际意义的研究课题。材料、信息和能源是现代人类文明的三大支柱,作为材料科学的重要分支之一——薄膜材料也不断的得到发展,已经被广泛应用于机械、能源、航空、航天、微电子、化工和建筑等各种领域,并且随着研究的深入,新型薄膜材料的应用范围还在继续扩大。薄膜材料是通过采用特殊物理和化学方法,在基体材料的表面沉积或制备的一层性质与基体材料完全不同的物质层,具有特殊的材料性能或性能组合。在保持基体良好机械性能不变的前提下,薄膜材料可以大幅度提高基体材料的耐热、耐腐蚀、耐磨损等性能,几乎任何物质都可以在不同形状的基体上制成薄膜。气相沉积技术是制备薄膜材料的主要技术之一,是目前使用范围最广泛、发展最迅速的一项技术,在基础理论和实际应用中都取得了丰硕的科研成果和应用价值。 作为目前应用最广泛的硬质刀具涂层材料,TiN和TiAlN薄膜具有良好的耐磨损性能和力学性能。随着涂层从第一代的单元到第二代的多元,发展到现在的纳米多层和超晶格,TiN/TiAlN多层薄膜不但综合了TiN和TiAlN的优点,而且由于多层的纳米尺度效应和结构调制,其性能得到了改善,对于研究氮化物/氮化物纳米多层薄膜的性能,具有重要的理论借鉴和工程应用意义。脉冲偏压电弧离子镀技术是目前主流的PVD表面涂层技术之一,克服了传统电弧离子镀的诸多不足,保持了离化率高、膜基结合力好等优点,具有很大的应用潜力,已经被广泛应用于各种刀具涂层的制备。 本项目在TiAlN薄膜研究的基础上,通过制备TiN/TiAlN纳米多层薄膜,不仅利用了Al在TiN薄膜中的固溶强化作用,还通过纳米多层的调制结构来进一步提高了薄膜的力学性能。同时利用TiAlN薄膜摩擦系数稳定的特点,以TiAlN薄膜作为TiN/TiAlN多层薄膜的最外层,来获得良好的耐磨损性能。因此在这种需求背景下,提出了“脉冲偏压电弧离子镀技术在纳米多层薄膜制备中的应用研究”的项目。 电弧离子镀方法是一种非常典型的物理气相沉积方法,不存在对空气、水源和土壤的污染,是一种很有代表的绿色制造技术。以目前对刀具应用的市场了解,全球切削刀具的市场规模在1400亿美元,并且每年还以2～3%的速度在增长,而涂层刀具占其总产量的50%以上,由此产生的税金、利润和创汇也是非常可观的。作为一种快速制备涂层的电弧离子镀方法,其应用的前景也是不容置疑的。相关的报道和本项目取得的实验数据都表明,经过刀具表面涂层之后,刀具使用寿命提高了3倍以上,降低加工成本2倍以上,有明显技术经济和社会效益。可见,本项目的研究成果具有重大的实际意义和广阔的市场前景。 近年来,已同数家企业（如湖北红安钧宇纸业有限公司、郑州新型包装材料研究所等）合作推广这一研究成果,起得了一定成效。以本项目研究成果为基础的进一步推广应用及研究工作,已进一步展开。 虽然对本项目的研究,取得了一定的成绩,但与本项目密切相关的某些问题,诸如目前缺少在刀具基体沉积TiN/TiAlN纳米多层薄膜之后,在实际的高速切削加工过程中薄膜的抗高温氧化性能如何;薄膜是否发生了剥落,薄膜对于切削加工效率的提升效果如何等,都是需要进一步解决的问题。