引言
物理气相沉积(简称PⅥ))技术制备的过渡族金属氮化物涂层在硬度、耐磨、耐蚀及抗高温氧化性等各方面各具特色，对材料表面起到很好的机械及化学保护作用，已在刀具、模具、耐磨和耐高温等领域取得了很好的应用。其中，CrAIN涂层因具有比TiAlN等涂层更优异的的抗高温氧化性能而受到了广泛的关注。在高温抗氧化应用领域，CrAlN涂层是传统CrN、TiAIN涂层良好的替代品。
目前CrAIN涂层的制备工艺主要有磁控溅射、阴极电弧技术、脉冲激光等方法，其中阴极电弧技术由于其离化率高等特点，在工程上的应用最为广泛。制备涂层采用的靶材也有CrAI合金靶或者cr靶、Al靶纯金属靶两种。目前有一些关于制备工艺一成分一组织结构的研究，但缺乏系统的研究。
本文在用铬靶、A1靶纯金属靶制备出不同成分的CrAlN涂层并系统研究Cr-A1-N涂层制各工艺对涂层成分及组织结构的影响。
1、实验方法
实验所选用的基体材料为经过常规热处理的M2高速钢(HRC 64～66)，其主要合金元素的质量分数(％)如下：C 0．80～0．90，Mn 0．15～0．40，Si 0．20～0．45，Cr 3．80～4．40，Mo 4．50～5．50，V 1．75～2．20和w 5．50～6．75。不同成分的crl。AlxN涂层的制备在配备多重转动工件盘的多弧离子镀设备上完成，安装了2个纯cr靶、2个Al靶和2个Ti靶，各靶在镀膜设备上的具体安装方式见图1。所有电弧靶的直径均为95ram，靶基距为160mm。基体经过打磨抛光，然后进行严格的清洗处理后入炉，抽真空至极限真空度8．0×10。Pa后，在600～700V高偏压下，开启各多弧靶轮流轰击清洗基片。然后通入高纯的N2(99．999％)矛H Ar(99．999％)混合气体，使工作气压达到3．0×10。1Pa，首先在基体上沉积一层TiN结合层，然后进行沉积Crl．。AlxN涂层，crl-xA．1xN涂层中A1含量通过cr靶、Al靶的各自电流大小来控制。沉积过程中，基体偏压为80V，占空比保持50％不变，基体(真空室的平均温度)温度为300℃，沉积时间均为90min，涂层厚度约2.5p.m。
采用EVO MA 10型扫描电镜观察涂层表面形貌。采用EVO MA 10型扫描电镜的附件能谱仪测定涂层的成分。采用X Pert MPD Philips型X射线衍射仪分析涂层物相结构。
2、实验结果与讨论
2.1 靶电流比IAl，Ic，对涂层成分的影响
不同工艺制备的CLl．xAlxN涂层的成分结果如表1所示。作出涂层中Al在金属元素中的所占原子百分比随靶电流比IAl，Ic，的变化关系图如图2所示。
由图2可见，采用cr、A1纯金属靶制各的CrAIN涂层中，Al在金属元素中的相对原子含量随靶电流比IAl／ICr几乎呈线性增加，且均在0～0．70之间。随着靶电流比IAl／ICr的增加，Al靶溅射出的Al粒子相对增多，从而涂层中的A1的相对含量增多。
2.2 涂层XRD物相结构分析
图3为不同Al含量crl-xAlxN涂层的XRD图谱。从图中可以看出，没有出现密排六方结构的hcp．AIN的衍射峰，而只有面心立方结构的fcc．CrN的衍射峰，且其主峰的取向晶面为(11 1)，(200)，(220)晶面。说明Crl。AlxN涂层取CrN的面心立方结构生长。随着Al含量的增加，fcc-CrN相的衍射峰均向右偏移。根据布拉格公式：2dsin0--nA,，可知随着Al含量的增加，晶格常数减小。经计算得到Crl．xAlxN的晶格常数随Al含量的变化关系，如图4所示。目前普遍认为，晶胞晶格常数的变小是由于面心立方结构的CrN中的部分Cr原子被Al原子取代而引起的，由晶体学的原理可知，物质内部的原子都是不断在其平衡位置附近振动的，其振动受到周围环境的影响。当(Cr，A1)N中Al原子含量增加时，由于l'Al<rcr
(r为原子半径)，在原子力的作用下，面心立方晶胞内各原子的振动都发生改变，即各原子振动的平衡位置向里偏移，而且各原子向降低晶格常数方向出现的几率增大，Al含量越大，这种改变越明显，以减少体系的能量。这种变化的结果导致了统计意义上的晶格常数的改变，即随着Al含量的增加，晶格常数减小。
此外，随着Al含量的增加，晶体生长择优取向由(200)晶面转向(11 1)晶面。这种改变晶面择优取向的变化规律可以用能量最小化理论【l孓1 7J来解释。涂层能量最小化理论认为涂层总能量由界面能、表面能和弹性应变能组成，体系一旦选定，界面能受沉积条件影响较小。在低应力情况下，弹性应变能较小，表面能决定涂层的总能量，此时表面能较小的晶面择优生长。当涂层有较大应力时，弹性应变能就成为涂层总能量的决定因素，应变能最小的晶面就会择优生长。随着涂层中Al含量的提高，膜层畸变增大，膜层应力增大，涂层将向高指数晶面择优生长以使得涂层的总能量最小。
2.3 涂层的表面形貌
图5所示为Cro 74Alo 26N(a)年lJ Cro 41 AIo 59N(b)涂层的SEM表面形貌图。可以看出，两种涂层表面均存在大小不一的大颗粒，这是电弧离子镀的特性。随着Al含量从X=0．26增加到0．59，涂层表面的大颗粒尺寸和数量均增多。通过图片分析软件，可以深入了解涂层中大颗粒尺寸分布比例随涂层中Al含量的变化关系，如图6所示。从图中可以看出，随着涂层中Al含量从X=0．26增加到0．59，涂层中尺寸大于或等于2.0Pm的大颗粒数量比例从5.2％增加到8.9％，尺寸小于或等于0.5Pm的颗粒数量比例从27.6％减小到
7.2％。
大量研究表明在电弧离子镀膜过程中，靶材表面的电流分布并不是均匀一致的，在阴极斑点处具有极高的电流密度。当增大靶电流时，也相应的增大了阴极斑点处的电流密度，使得斑点处具有更高的温度，从而使得靶材产生更多数量、尺寸更大的融滴，沉积到涂层中便形成了大颗粒。
3、结论
1)随着Al靶、cr靶电流之比IA川cr的增大，Crl．xAlxN涂层中Al含量增多。适当控制靶电流比值，可以控制crl．xAlxN中铝金属比值在0．15--一0．6的范围内。
2)所制备Crl．xAlxN涂层晶体结构均呈现面心立方结构fee．CrN生长，fec-CrN相的衍射峰均向右偏移，且随着Al含量增加，衍射峰偏移的角度越大，晶格常数越小。随着Al含量的增加，晶体生长择优取向由(200)晶面转向(111)晶面。
3)所制备Crl．。AI。N涂层表面均存在大颗粒。且随着Al含量的增加，尺寸大于或等于2．09m的大颗粒数量比例增多。
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