HiPIMS沉积CrAlCN纳米复合涂层——硬度46.6 GPa&磨损率0.11×10⁻⁶ mm³/(N·m)

点睛：

采用HiPIMS技术，通过调控Al靶电流和C₂H₂流量，获得CrAl₁₅₀C₅N₃₀涂层。该涂层硬度高达46.6 GPa，结合力Lc2 > 100 N，对AISI 52100钢球磨损率低至0.11×10-6mm³/(N·m)，比未涂层WC基体降低3.8倍。

引言：

CrN涂层因高硬度、耐磨损、抗腐蚀被广泛用于刀具和模具。但随着难加工材料的出现，二元CrN已显不足。通过掺杂C或Al形成CrCN、CrAlN可进一步提升性能，但现有研究缺乏对四元CrAlCN涂层的系统探讨，且传统制备方法（阴极弧、直流磁控溅射等）存在液滴、无法用于绝缘基底或温度过高等缺陷。HiPIMS具有高电离率、致密结构、强膜基结合等优势。本文采用HiPIMS在WC硬质合金基底上沉积CrCN、CrAlN及CrAlCN涂层，系统优化C、Al、N含量，筛选出力学与摩擦学性能佳的涂层。

解析：

台湾建国科技大学高等采用HiPIMS技术，以“Mechanical and Tribological Properties of CrCN, CrAlN, and CrAlCN Coatings Deposited on Tungsten Carbide Substrates by High-Power Impulse Magnetron Sputtering Technology”为题发表在《Journal of Materials Engineering and Performance》上，其工艺参数如下：

1）基体为WC硬质合金（直径24 mm，厚8 mm)和Si(100)；2）预处理：丙酮超声清洗15 min；3）靶材：Cr靶和Al靶；4）工作气体：Ar、N₂和C₂H₂；5）基片温度：300–350 °C；6）沉积过程：先沉积Cr过渡层，然后沉积CrCN、CrAlN或CrAlCN层。HiPIMS脉冲功率5 kW，脉宽200 μs，Cr靶峰值电流250 A；Al靶峰值电流150–250 A，N₂流量24–30 sccm，C₂H₂流量5–11 sccm，基片偏压-80 V；7）沉积时间60 min，涂层厚度0.35–0.45 μm。

表1 硬度、弹性模量及结合力

表1列出了所有涂层的厚度、硬度、弹性模量和结合力。CrAl₁₅₀C₅N₃₀涂层硬度高，达46.6 GPa，弹性模量1116.5 GPa，结合力Lc2 > 100 N（划痕测试中100 N内未完全剥落）。相比之下，CrC₅N₃₀硬度43.3 GPa，CrAl₁₅₀N₃₀硬度45.6 GPa但结合力仅52.7 N。当C含量升高（CrC₁₁N₂₄），硬度降至36.7 GPa；当Al含量升高（CrAl₂₅₀N₃₀），硬度降至41.3 GPa。该表证明：适量C和Al（2.4% Al, 5.8% C）形成间隙/置换固溶强化，过量则导致非晶碳或Al₂O₃软相，损害力学性能。

表2 摩擦系数、磨损深度及磨损率

表2给出了对AISI 52100钢球和Si₃N₄球的磨损数据。对钢球：CrAl₁₅₀C₅N₃₀涂层的摩擦系数仅0.15，磨损深度0.015 μm，磨损率0.11×10⁻⁶ mm³/(N·m)，相比未涂层WC基体（0.126 μm，0.42×10⁻⁶）分别降低8.4倍和3.8倍。对Si₃N₄球，硬度16 GPa，赫兹应力更高：同一涂层的磨损深度0.107 μm，磨损率0.41×10⁻⁶，仍优于基体（0.193 μm，0.72×10⁻⁶）。而CrAlN系列涂层因结合力低（Lc2≤52.7 N），在Si₃N₄球下完全失效，磨损深度超过涂层厚度，磨损率高达2.99–3.76×10⁻⁶ mm³/(N·m)。该表直接证明CrAl₁₅₀C₅N₃₀具有优异的耐磨性。

图1 CrAlCN系列涂层磨损表面SEM与EDS

图2 CrCN系列涂层磨损表面SEM与EDS

图1显示CrAl₁₅₀C₅N₃₀涂层磨损后表面光滑完整，仅轻微划痕；EDS显示O含量仅18.7 at.%，轻度氧化磨损，Fe转移仅0.2 at.%，说明无粘着转移。图1(b)显示对磨钢球表面严重氧化（O 33.9 at.%）但无涂层材料转移。磨损机制为轻微磨粒磨损+轻度氧化磨损，无剥落。相比之下，图2中高C涂层CrC₁₁N₂₄出现大面积剥落，WC基底暴露，磨损机制为剥落+严重磨粒磨损。图1直接验证了CrAl₁₅₀C₅N₃₀涂层高结合力和高硬度对抑制剥落、保持完整性的关键作用。

结论与延伸：

1. CrAl₁₅₀C₅N₃₀涂层（Al 2.4 at.%，C 5.8 at.%）具有FCC结构，低C和低Al避免非晶碳和Al₂O₃软相，实现固溶强化，硬度达46.6 GPa，结合力Lc2 > 100 N。

2. 对AISI 52100钢球，该涂层摩擦系数0.15，磨损率0.11×10⁻⁶ mm³/(N·m)，比未涂层WC基体降低3.8倍；对Si₃N₄球磨损率0.41×10⁻⁶mm³/(N·m)，优于所有其他涂层。

3. 高结合力和高硬度使涂层保持完整，仅发生轻微磨粒磨损和轻度氧化磨损；而高C或高Al涂层因非晶碳或Al₂O₃形成、结合力下降，发生剥落和严重磨粒磨损。

DOI:10.1007/s11665-023-08997-w.