添加Cu对PVD AlTiN涂层组织结构和性能的影响

潘晨曦，陈康华，徐银超, ，王云志，祝昌军，陈浩



添加Cu对PVD AlTiN涂层组织结构和性能的影响

潘晨曦1, 2，陈康华1, 2，徐银超1, 2, 3，王云志3，祝昌军1, 2，陈浩1, 2

(1. 中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083；2. 有色金属先进材料协同创新中心，长沙 410083；3. 株洲钻石切削刀具股份有限公司，株洲412000)

采用阴极弧蒸发离子镀在硬质合金刀具基体上分别沉积AlTiN和AlTiN-Cu涂层。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪等分析测试手段研究涂层形貌、组织结构和力学性能的影响规律，并对两种涂层刀具的切削性能进行研究。结果表明：Cu元素以单质的形式存在于AlTiN涂层中，Cu的添加使涂层晶粒由柱状晶转变成等轴晶，细化了涂层晶粒，使涂层的择优取向由(111)面变成(200)面；涂层的纳米硬度由29.01 GPa降低到22.04 GPa，弹性模量由347.10 GPa降低到268.25 GPa。Cu元素的添加使AlTiN涂层刀具切削钛合金寿命提高了约36%。

AlTiN；Cu；PVD；阴极弧离子镀；纳米涂层

刀具是影响现代制造业发展的一个重要因素，随着加工材料性能的不断提升和对加工质量的要求越来越高，人们对切削刀具的性能提出了更高的要求。改进涂层性能是提高切削刀具性能的重要途径之一[1]。超硬纳米涂层由于具有晶粒小，硬度高，耐磨性好等特点越来越受到关注，成为研究的热点[2]。超硬纳米涂层可分为两类[3]：一类是nc-MeN/硬质相(a-Si3N4、a-TiB2等)，另一类是nc-MeN/软质相(Cu，Ni，Ag等)，其中Me是Ti，W，Zr，Cr，Mo，Al等元素，形成纳米氮化物。AlTiN涂层是在TiN涂层基础上发展而来的新型涂层，具有硬度高、抗氧化性能优异、耐磨性好等特点，广泛应用于高速切削领域[4]。但是，脆性大以及高内应力一直是AlTiN涂层迫切需要解决的问题[5]，AlTiN基涂层性能需要进一步改善和提高。已有研究发现[6−8]，在AlTiN涂层中添加Cu能有效地提高AlTiN的硬度、降低摩擦系数和提高切削寿命。添加Cu有2种形式：一种是形成单独的Cu层，另一种是Cu颗粒弥散分布于涂层中。目前关于AlTiN涂层中添加Cu的研究主要停留在单独的Cu层上，形成AlTiN/Cu纳米多层涂层，而对Cu弥散分布于涂层中形成AlTiN-Cu纳米颗粒涂层的研究甚少。所以，系统研究AlTiN-Cu纳米颗粒涂层组织结构和性能具有重要意义。本文通过阴极弧蒸发离子镀工艺在硬质合金刀具上制备AlTiN和AlTiN-Cu涂层，系统地研究Cu的添加对AlTiN涂层刀具组织结构、力学性能和切削性能的影响，为改进AlTiN涂层性能提供实验依据。

1 实验

1.1 材料准备

采用工业化生产的阴极弧蒸发设备，在型号为VNEG120408-NF的硬质合金刀片上分别沉积AlTiN和AlTiN-Cu涂层，刀片基体为WC-6%Co，所用靶材为粉末冶金制备的Ti33Al67和(Ti33Al67)97Cu3合金靶，通入氮气作为反应气体，沉积温度为400~500 ℃，沉积压力为1.8 Pa。

1.2 性能测试与表征

采用NOVATM NanoSEM230型场发射扫描电镜检测AlTiN和AlTiCuN涂层的表面形貌、截面形貌和化学成分。利用X射线衍射仪分析AlTiN和AlTiN-Cu涂层的相组成。

纳米硬度计采用瑞士CSM公司生产的纳米硬度测试仪。将样品待测表面进行抛光处理，测试载荷为10 mN，加载速率为20 mN/min，卸载速率为20 mN/min，保压时间为15s。

在数控机床CK7525上进行湿式切削实验，刀杆型号为MVJNL2525M16，切削工件为钛合金，切削速度为=60 m/min，切深=1mm，进给量=0.2 mm/rev。每隔一定时间暂停切削，取下刀片在光学测量仪上进行刀具磨损量的测量，磨损标准采用涂层硬质合金刀片后刀面磨损量=0.3 mm或后刀面沟槽磨损量max达0.6 mm。

2 结果与分析

2.1 涂层组织形貌和相结构

2.1.1 涂层的组织形貌和成分

AlTiN和AlTiN-Cu涂层的的成分如表1所列，AlTiN-Cu涂层中添加摩尔分数为1.28%的Cu。涂层的表面形貌如图1所示，可以看出2种涂层的表面都存在表面液滴，但是AlTiN-Cu涂层的表面液滴数量明显比AlTiN涂层多，而且液滴体积粗大。表面液滴会影响涂层性能，是一种缺陷。表面液滴主要由于阴极弧放电时向外喷射等离子体的同时也会向外发射金属溶滴(即液滴)，液滴随同等离子体沉积到薄膜表面而形成[9]。由于Cu的导热性比Ti和Al好，在沉积过程中更容易形成液滴，所以AlTiN-Cu涂层的表面液滴比AlTiN涂层的多，表面缺陷多。

表1 AlTiN和AlTiN-Cu涂层中各元素的原子百分含量

图1 PVD涂层的表面形貌

图2所示为AlTiN和AlTiN-Cu涂层的截面SEM形貌图，可见涂层与基体结合紧密，没有明显的分层。对比图2(a)和(b)可以明显看出，AlTiN涂层为柱状晶结构，添加Cu后，Cu分布在AlTiN周围，阻碍AlTiN涂层的生长，使晶粒生长方式发生改变，柱状晶消失，变成平整光滑的等轴晶结构，晶粒明显细化。

2.1.2 涂层的相结构

图3为AlTiN和AlTiN-Cu涂层的XRD图谱。添加Cu后，AlTiN(111)晶面相对衍射强度减弱，(200)晶面相对衍射强度增强，而且衍射峰宽化。这主要是由于添加Cu后，改变了AlTiN晶粒的形核和生长方式，使AlTiN涂层的晶粒由柱状晶变成了等轴晶，晶粒尺寸细化。衍射谱中没有发现Cu的衍射峰，这主要是因为Cu加入量少，且形成非常细小的晶粒，超出了XRD的检测范围。这与ZHANG等[10]的研究结果一致。

图2 PVD涂层的截面形貌

图3 AlTiN和AlTiN-Cu涂层的XRD谱

根据公式(1)[11]计算出AlTiN和AlTiN-Cu涂层沿各晶面生长的织构系数，如表2所列。织构系数T*大于1表示涂层具有该方向的织构，数值越大，择优取向越明显[12]。面心立方结构的AlTiN涂层，晶体结构与面心立方的TiN基本相同，由原子半径小的Al原子置换TiN涂层中部分Ti原子形成，和TiN相比，衍射峰位向高角度偏移[13]。AlTiN涂层对应TiN涂层的PDF卡片，号码为38~1420，三强线及相对强度为(111)，72%；(200)，100%；(220)，45%。AlTiN涂层的密排面为(111)面，涂层沿密排面生长具有最低的自由能且择优生长。但是，添加Cu阻碍了AlTiN涂层的晶粒生长，使晶粒的长大方式发生变化，择优取向由(111)面转变成(200)面。

式中：(hkl)为涂层试样实际衍射强度；(hkl)为随机粉末的衍射强度；为参考的衍射峰数目。

表2 AlTiN和AlTiN-Cu涂层的织构系数

2.2 涂层的力学性能

表3所列为纳米压痕所测得的AlTiN和AlTiN-Cu涂层的基本力学性能。其中，HIT为测试样品的纳米硬度；E为测试样品的弹性模量；E*为测试样品的压入模量。AlTiN涂层添加Cu后，硬度下降，从29.01 GPa降低到22.14 GPa；弹性模量降低，从347.10 GPa降低到268.25 GPa。涂层的硬度主要受2个方面影响[14]：一是Cu为金属软质相，加入Cu会使涂层硬度下降；二是加入Cu可细化AlTiN晶粒尺寸，使涂层组织结构从柱状晶变成等轴晶，提高涂层的硬度。研究表 明[15]，Cu的加入量有一个合适的范围，硬度起初由晶粒细化导致硬度增加占主导，当Cu含量过了临界值，则由Cu是金属软质相导致硬度降低占主导。涂层的力学性能降低，说明涂层中Cu含量过多，以软质相占主导。虽然图2表明Cu可细化AlTiN的晶粒，但AlTiN-Cu涂层表面液滴比AlTiN涂层多，涂层表面缺陷大，也会使涂层的力学性能降低。

硬度和弹性模量比值HIT/E反映了涂层发生弹性变形的难易程度，HIT3/E*2反映了涂层抵抗塑性变形的能力，其中，E*=E/(1−v2)；E为材料的弹性模量，v为材料泊松比[16]。HIT/E比值越小，越容易发生弹性变形，HIT3/E*2比值越小，越容易发生塑性变形。从表3可以看出，添加Cu后，HIT/E和HIT3/E*2数值均变小，因此AlTiN-Cu涂层相对AlTiN涂层韧性提高，在冲击磨损中AlTiN涂层更容易由塑性变形变为脆性 失效。

表3 AlTiN和AlTiN-Cu涂层的力学性能

Note: HIT=Nano-indentation hardness; E= Elasticity modulus;E*=Indentation modulus

2.3 切削性能

图4所示为湿式切削钛合金得到的AlTiN和AlTiN-Cu涂层硬质合金刀片后刀面磨损量与时间的曲线图。根据后刀面磨损量达0.3 mm作为失效准则，AlTiN涂层刀具切削28 min后失效，磨损量达0.3 mm，AlTiN-Cu涂层刀具切削38 min后失效，磨损量达0.29 mm。所以，AlTiN-Cu涂层刀具的切削寿命远大于AlTiN涂层刀具，提高了约36%。从磨损曲线来看，2种刀具都经历了初期磨损、正常磨损和剧烈磨损3个阶段。在初期磨损和正常磨损阶段，AlTiN涂层和AlTiN-Cu涂层刀具的后刀面磨损量基本相同，但是在剧烈磨损阶段，AlTiN涂层刀具磨损速度远快于AlTiN-Cu涂层刀具。钛合金作为难加工材料之一，在加工过程中切削温度高、化学亲和性强，刀具容易出现崩刃和粘结磨损。虽然AlTiN-Cu涂层的表面形貌和力学性能都比AlTiN涂层差，但AlTiN-Cu涂层的切削性能比AlTiN涂层好。这主要是因为，在AlTiN涂层中添加Cu，能起到自润滑作用，可减少加工钛合金时的粘刀现象，降低磨损速度，从而提高切削寿命。

图4 AlTiN、AlTiN-Cu涂层刀具的切削寿命

3 结论

1) 添加Cu可改变AlTiN涂层的组织结构，使AlTiN涂层的晶粒生长方式从柱状晶转变成等轴晶，细化晶粒尺寸，改变AlTiN涂层的择优取向，从(111)面变成(200)面。

2) 添加Cu可降低AlTiN涂层的力学性能。硬度从29.01 GPa降低到22.14 GPa，弹性模量从347.10 GPa降低到268.25 GPa。但是，AlTiN-Cu涂层的韧性比AlTiN涂层高，AlTiN更容易在冲击磨损中发生脆性失效。

3) 添加Cu可提高AlTiN涂层刀具切削钛合金的切削寿命，切削寿命提高了大约36%。主要原因是Cu的加入能在切削过程中起到自润滑作用，改善加工钛合金的粘刀现象，降低涂层的磨损速度。

[1] 郭杰, 徐看, 刘利国, 等. 刀具涂层技术现状与发展趋势[J]. 工具技术, 2014, 48(3): 3−7. GUO Jie, XU Kan, LIU Liguo, et al. Current situation and trend of development of coating technology for cutting tools[J]. Tool Engineering, 2014, 48(3): 3−7.

[2] 任毅, 周家斌, 付志强, 等. 纳米多层超硬膜力学性能研究进展[J]. 金属热处理, 2007, 32(5): 6−9. REN Yi, ZHOU Jiabin, FU Zhiqiang, et al. Review of mechanical performance of superhard nano-multilayer films[J]. Heat Treatment of Metals, 2007, 32(5): 6−9.

[3] WANG X Q, ZHAO Y H, YU B H, et al. Deposition, structure and hardness of Ti-Cu-N hard films prepared by pulse biased arc ion plating[J]. Vacuum, 2011, 86(4): 415−421.

[4] 徐银超, 陈康华, 王社权, 等. TiN 和 TiAlN 涂层硬质合金的氧化和切削性能[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2011, 16(3): 425−430. XU Yinchao, CHEN Kanghua, WANG Shequan, et al. Oxidation and cutting properties of TiN and TiAlN coated cemented carbide[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2011, 16(3): 425−430.

[5] 陈蓓蓓. (Ti,Al)N薄膜力学性能及微观组织结构的研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2007: 1−61. CHEN Beibei. Study on mechanical properties and microstructure of (Ti,Al)N coatings[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2007: 1−61

[6] LEU M S, LO S C, WU J B, et al. Microstructure and physical properties of arc ion plated TiAlN/Cu thin film[J]. Surface and Coatings Technology, 2006, 201(7): 3982−3986.

[7] 胡弦. 遮挡效应及Si, Cu改性的TiAlN涂层性能研究[D]. 南昌: 南昌航空大学, 2013: 1−65. HU Xian. Shield effect and properties investigation of TiAlN coatings modified by Si and Cu[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2013: 1−65.

[8] FOX-RABINOVICH G S, YANAMOTO K, AGUIRRE M H, et al. Multi-functional nano-multilayered AlTiN/Cu PVD coating for machining of Inconel 718 superalloy[J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 204(15): 2465−2471.

[9] 龚才. 电弧离子镀TiN薄膜表面液滴及其对薄膜性能的影响研究[D]. 长沙: 中南大学, 2013: 1−74. GONG Cai. Study of droplets and its effect on performance of TiN films prepared by arc ion plating[D]. Changsha: Central South University, 2013: 1−74.

[10] ZHANG L, MA G J, LIN G Q, et al. Synthesis of Cu doped TiN composite films deposited by pulsed bias arc ion plating[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2014, 320: 17−21.

[11] 唐瞿炜. 不同织构刀具表面涂层性能的研究[D]. 天津: 天津大学, 2014: 1−42. TANG Quwei. Research on properties of different textured cutting tools[D]. Tianjin: Tianjin University, 2014: 1−42

[12] 陈利, 汪秀全, 尹飞, 等. TiN 涂层的微观组织结构及力学性能分析[J]. 硬质合金, 2006, 23(1): 8−10. CHEN Li, WANG Xiuquan, YIN Fei, et al. Research on microstructure and mechanical properties of TiN coating[J]. Cemented Carbide, 2006, 23(1): 8−10.

[13] 陈利, 吴恩熙, 尹飞, 等. (Ti, Al)N涂层的微观组织和性能[J]. 中国有色金属学报, 2006, 16(2): 279−283. CHEN Li, WU Enxi, YIN Fei, et al. Microstructure and properties of (Ti,Al)N coating[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(2): 279−283.

[14] MYUNG H S, LEE H M, SHAGINYAN L R, et al. Microstructure and mechanical properties of Cu doped TiN superhard nanocomposite coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2003, 163: 591−596.

[15] ELYUTIN A V, BLINKOV I V, VOLKHONSKY A O, et al. Properties of nanocrystalline arc PVD TiN-Cu coatings[J]. Inorganic Materials, 2013, 49(11): 1106−1112

[16] BELOV D S, BLINKOV I V, VOLKHONSKII A O. The effect of Cu and Ni on the nanostructure and properties of arc-PVD coatings based on titanium nitride[J]. Surface and Coatings Technology, 2014, 260: 186−197.

(编辑 高海燕)

Effect of adding Cu on structure and cutting performance of PVD AlTiN coating

PAN Chenxi1, 2, CHEN Kanghua1, 2, XU Yinchao1, 2, 3, WANG Yunzhi3, ZHU Changjun1, 2, CHEN Hao1, 2

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;2. Collaborative Innovation Center of Advanced Nonferrous Structural Materials and Manufacturing, Changsha 410083, China; 3. Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co. Ltd., Zhuzhou 412000, China)

AlTiN and AlTiCuN coatings were prepared on the surface of cemented carbide cutting tools with cathodic arc ion plating. The surface-interface morphologies, microstructure, mechanical properties of AlTiN and AlTiCuN coatings were tested and analyzed by means of SEM, XRD and nano-indentation tester, respectively. Cutting performance of two kinds of coatings was also studied. The results show that adding Cu changes the grain structure from columnar crystal to equiaxed one, refines the grain sizes of the coating, and changes preferred orientation from (111) plane to (200) plane. Meanwhile, Cu ddition decreases the vickers hardness from 29.01 GPa to 22.04 GPa and the elasticity modulus from 347.10 GPa to 268.25 GPa, but it improves the cutting life of cutting titanium alloy about 36%.

AlTiN; Cu; PVD; nano coating; cathodic arc ion plating;nano coating

TG174.4

A

1673−0224(2016)05−717−05

高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(2014ZX04012011)

2015−10−15；

2016−04−19

陈康华，教授，博士。电话：0731-88830714；E-mail: khuachen@mail.csu.edu.cn