脉冲等离子体氮化与物理气相沉积复合处理CrAlN涂层的性能优化及机理研究

为解决PVD硬质涂层易发生"蛋壳式"剥落的问题，广东粤科新材料科技有限公司等机构研究人员采用脉冲等离子体氮化(PPN)与多弧离子镀(MAP)技术，在AISI D2模具钢上实现原位氮化-镀膜复合处理。研究显示：原位处理涂层呈现(200)织构取向，结合力达66.32N(HF1级)，硬度3279 HV0.025 ，磨损率1.85×10-15 m3/N·mm，显著提升抗裂纹扩展和耐磨性能。该研究为模具表面强化提供了创新工艺方案。

　　

在工业制造领域，模具和切削工具的寿命往往取决于表面涂层的性能。物理气相沉积(PVD)技术虽能制备高硬度的CrAlN涂层，但传统工艺存在致命缺陷——涂层与基体结合力不足，就像鸡蛋壳一样容易整片剥落。更棘手的是，常规气体氮化预处理需要500℃以上高温并持续12小时，不仅能耗高，还会在钢材表面形成疏松的ε/γ'化合物白层或易分解的铁氮化物黑层，反而损害涂层附着力。这种"预处理反成拖累"的困境，严重制约着高性能涂层的发展。

广东粤科新材料科技有限公司联合团队在《Thin Solid Films》发表的研究中，创新性地将脉冲等离子体氮化(PPN)与多弧离子镀(MAP)技术集成于同一设备，在AISI D2模具钢上实现原位氮化-镀膜复合处理。关键技术包括：采用N₂
:H₂
=4:1混合气体的阳极层流气体离子源(GIS)模块，在1Pa低压下生成47μm氮扩散层；通过10kW脉冲直流逆变电源精确控制50-100V电压范围；后续不破真空直接沉积7.9μm厚CrAlN涂层。研究对比了未处理、分步处理和原位处理三种试样的性能差异。

【结构表征】
X射线衍射揭示：常规PVD涂层呈现(111)织构取向，而原位处理涂层转变为(200)取向。这种晶体学取向变化源于GIS模块产生的定向离子束对沉积过程的调控，氢原子的引入有效清除了表面氧化物，使氮表面吸附系数提升30%。

【力学性能】
划痕测试显示原位处理涂层结合力达66.32N，达到HF1级标准，较分步处理试样提高42%。显微硬度计测得3279 HV_0.025
的峰值硬度，对应磨损率降至1.85×10^-15
m3/N·mm。扫描电镜观察到原位处理涂层裂纹扩展路径呈现典型的"之字形"偏转，这是高韧性扩散层与硬质涂层协同作用的结果。

【讨论与结论】
该研究突破传统分步处理的局限，通过PPN-MAP原位复合技术实现三大创新：1)避免白层/黑层形成，氮扩散层厚度可控；2)真空环境连续性确保界面纯净度；3)(200)织构取向赋予涂层更优的力学性能。特别值得注意的是，GIS模块的脉冲等离子体不仅完成表面清洁，其产生的活性氮物种还参与构建梯度过渡界面，这种"自生成"的界面结构使结合强度突破理论极限。研究为模具表面工程提供新范式，其低压低温(＜520℃)工艺更符合绿色制造趋势。作者在补充说明中透露，该技术已应用于精密冲压模具，使寿命延长3-5倍，证实其工业化潜力。

（注：所有数据及技术细节均源自原文，专业术语如物理气相沉积(PVD)、脉冲等离子体氮化(PPN)等首次出现时均标注英文缩写，作者单位名称按要求处理为中文，上下标格式严格遵循原文表示方法。）