● 摘要
本文首先介绍了切削技术的两大发展方向高速切削和干式切削技术，指出高硬度、耐高温氧化性、小摩擦系数等高性能刀具是制约切削技术发展的重要因素。刀具涂层的应用使刀具的综合性能得到很大的提高，刀具硬质膜是刀具涂层的最重要部分，因此研究制备刀具超硬膜对切削技术乃至整个制造业的发展具有重要意义。文中综合描述TiAlN薄膜及TiAlSiN硬质薄膜的发展历程，及其薄膜的结构特征、性能及其应用，并简要的介绍了薄膜的主要制备方法及其机理。多元TiAlSiN复合膜层具有高热硬性、高抗氧化温度、摩擦系数小、与基体结合强度大、低导热率等优良特性，因此对TiAlSiN四元薄膜的工艺研究是十分必要的。本研究在实验室自主研制的多功能复合表面改性设备，用反应直流磁控溅射法在高速钢和WC-Co硬质合金基体上，制备一系列不同工艺参数的TiAlN和TiAlSiN复合膜层，靶材为粉末冶金法制备的TiAl和TiAlSi复合靶。本实验制备的所有膜层的厚度在1.5μm到3.0μm之间。通过X射线衍射（XRD）、能谱分析（EDS）、纳米压痕测试、划痕试验、透射电子显微镜（TEM）等实验测试方法表征了薄膜的组成成分、力学性能和微观组织结构。主要对靶材成分、沉积温度、氮氩比、基体偏压等工艺参数对TiAlN和TiAlSiN薄膜成分、组织结构及力学性能的影响进行了实验研究。通过对TiAlN和TiAlSiN多元复合薄膜实验测试结果的分析，得出以下主要结论：靶材成分对薄膜的成分和结构具有决定性作用，薄膜的成分与镀膜基体无关，通过改进靶材成分可大幅度提高薄膜硬度，硬度可提高15GPa左右；镀膜温度、氮氩比、基体偏压等工艺参数对薄膜硬度和成分影响较小，对膜硬度影响幅度在4GPa左右。本文通过改变工艺参数对薄膜硬度影响规律的研究，优化了工艺参数。在Ti0.4Al0.5Si0.1靶前放2个Ti片，当氮氩比为1/3，基体负偏压-60V，沉积温度是100℃和250℃，制备的薄膜硬度较好，纳米硬度测试的平均硬度高达40GPa，基本到达了超硬膜标准，且纳米压痕测试显示部分点的硬度值达到了50GPa。