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TiAlN涂层 - 低压化学气相沉积(CVD)技术

15 九月 2013

开发新的以及更有效的耐磨涂层是由于高速干式切割工艺以及硬质材料切割需求的增加而导致对切削工具需求量的增加。这类材料包括高强度钢,铸造材料以 及用于汽车以及航空工程的高强度合金材料。当切削工具高速运转时,切削刃位置的温度可超过1000 °C。这就是为什么现代耐磨涂层不仅需要具有高强度或韧 性,还需要具有良好的抗氧化性并且相对于被加工的材料具有化学惰性。

在过去的几十年里,面心立方(fcc)结构的Ti1-xAlxN已经成为耐磨应用领域的一种标准涂层。到目前为止,由于它是一种相对稳定的材料,因此只能通过在相对较低温度PVD情况下工作的涂层法进行生产。但是PVD的方式仅限于铝含量x=0.67的面心立方(fcc)结构Ti1-xAlxN的沉积,因此抗氧化性能也是有限的。为了增加这种涂层的铝含量,很多人开展过不同的研究与开发工作。石川岛播磨爱恩邦德开发出了一种新的工业规模CVD技术,这种技术可用于高铝含量Ti1-xAlxN涂层的沉积,这种涂层的化学计量系数高达x=0.91并且是面心立方结构。Ti1-xAlxN立方相只能在一种特定的制程适用范围内进行生产,例如温度低于850 °C时,低压以及使用特定比例的AlCl3/TiCl4。如果比例过低,就会另外出现TiN沉积。如果比例过高,就会在纤锌矿结构中出现AlN沉积。通常当温度高于850 °C时,TiN 与 AlN会同时沉积。这些高含量的二次相粒子并不是所需要的,因为涂层的硬度,抗氧化性能以及耐磨性能均因此降低了。

AlCl3与 TiCl4是用来作为原始材料的。在流入CVD反应器中之前, TiCl4液体蒸发,AlCl3原位生成。额外的NH3则作为氮源。为此,石川岛播磨爱恩邦德公司开发出一种特殊的NH3模式以便使先驱的供应成为可能。为了使这个工艺实现工业化规模,下一步就是优化气体混合,优化分配系统以及优化特定的工具加载程序。最后一个工艺的特点是低压条件,这是面心立方(fcc)结构Ti1-xAlxN形成时所需的有利条件。为此,石川岛播磨爱恩邦德公司研制出了一种特殊的抽运系统,该系统可用于在10 mbar左右压力情况下亦可运行的CVD设备。

这里的一个例子显示Ti1-xAlxN涂层拥有x=0.83的高铝含量,并且几乎完全由“fcc-TiAlN”立方相构成。这一涂层在室温状态下拥有约29 GPa的高硬度值,以及-3 GPa的中等残余压应力。

若有进一步的问题,请联系Hristo Strakov,邮箱地址:hristo.strakovionbond.com

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