工业级HiPIMS系统制备TiN/CrN多层涂层的微观结构与力学性能研究：界面工程与周期调控的协同效应

本文通过反应性高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术在工业级设备中成功制备了双层周期（?）可调的TiN/CrN多层涂层（7-460 nm）。研究发现，当?=15 nm时涂层呈现最优硬度（31.9 GPa）和杨氏模量（394 GPa），而?=7 nm样品则表现出最高的H/E和H3/E2比值，显著提升抗磨损和抗裂纹扩展性能。XRD与HR-TEM证实小周期涂层中存在TiN/CrN超晶格结构及相干生长现象，为工业刀具涂层设计提供了新思路。

　　

Highlight

TiN/CrN多层涂层通过反应性高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术在工业级设备中实现沉积，通过调控双层周期（?）在7-460 nm范围内，系统研究了?对化学组成、微观结构和力学性能的影响。

材料与方法

采用工业级CemeCon CC800/9 ML磁控溅射系统，通过交替溅射钛/铬靶材在氮气氛围中制备涂层。通过控制阴极开启时间精确调控?值，所有涂层厚度保持在1.4-2.3 μm。

元素组成与微观结构表征

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  氮含量稳定在50 at.%左右，证实形成化学计量比的金属氮化物亚层

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  XRD显示：?>85 nm时存在独立TiN/CrN晶相；?≤15 nm时出现峰位重叠，暗示相干生长或三元TiCrN相形成

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  HR-TEM证实超晶格样品中存在跨界面外延生长现象

力学性能突破

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  ?=15 nm时达到性能峰值：硬度（H）31.9 GPa，杨氏模量（E）394 GPa

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  ?=7 nm虽力学参数略降（H=27.7 GPa，E=335 GPa），但H/E和H³/E²比值最优，预示卓越的抗磨损和抗裂性能

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  平均压缩应力2.2 GPa，介于TiN/CrN单层涂层之间

结论

该研究证明工业级HiPIMS系统可制备具有定制界面和周期性的纳米结构多层涂层，通过精确控制?可实现力学与摩擦学性能的协同优化，为高性能切削工具涂层开发提供新范式。