目前,刀具涂層工藝通常為采用多弧離子鍍膜方式或磁控濺射鍍膜方式在固體陰極靶材上蒸發金屬，沉積在刀具基體上形成膜層，其膜層從TiC、TiN二元模式發展為以Ti、N為主要元素的多元復合膜層。TiAlN膜層是在Ti、N二元膜層的基礎上發展起來的一種三元復合膜層，隨Al元素的存在，面心立方結構的TiN中部分Ti原子被半徑較小的Al原子
替代，產生晶格畸變[1-2]，從而顯著提升膜層的硬度、耐磨性、耐高溫氧化性。隨TiAlN涂層的應用，刀具的壽命有了較大提升，強有力地推動了高速、高精度機加工領域的發展。
對于TiAlN膜層，人們研究的重點主要集中于與鍍膜設備相關的鍍膜工藝[3-5]、靶材元素比例[6-7]、靶材的主要加熱壓制類別等[8]，而對原料粉末的預處理工藝上很少有企業進行嚴格的控制，也少有人進行相應的研究。本文使用氫化脫氫Ti粉、氮氣霧化Al粉兩種原料，在傳統HIP工藝（混粉-除氣-HIP）基礎上增加粉末預處理工藝，調整粉末預處理工藝中的原料球磨時間，研究粉末預處理工藝對AlTi合金的氧含量及Al基體晶粒尺寸的影響。
1、試驗材料與方法
試驗所用原料Ti粉為80目的氫化脫氫Ti粉，純度為99.9wt%（粉末的純度一般是指固體雜質含量），氧含量為0.32wt%；試驗所用原料Al粉為80目的氮氣霧化Al粉、純度為99.9wt%、氧含量為0.25wt%。
粉末預處理工藝1-球磨工藝：將氧化鋯球和原料Ti粉按照重量比4∶1的比例放入可傾式球磨機罐體中，充入氬氣并加入異丙醇進行球磨，球磨時間為2h；以同樣方式對Al粉進行球磨。粉末預處理工藝2-離心分離工藝：分別將球磨過后的Ti粉和Al粉用異丙醇沖出，使粉末與陶瓷球分離；將Ti粉、Al粉分別放入離心分離機中，分離得到Ti粉和Al粉。
粉末預處理工藝3-混合工藝：將離心分離出的Al粉和Ti粉按照原子比33∶67的比例放入三維混合機中，在氬氣保護環境下混粉2h，在氬氣保護下出粉并裝入包套。熱等靜壓工藝：將包套抽真空后放入熱等靜壓機中進行壓制成形，壓制工藝為壓力150MPa、溫度400℃、時間2h。
同一批AlTi合金制備的球磨工藝設置相同的球磨機轉速參數，經過粉末預處理工藝的TiAl合金共制作3個批次，球磨機轉速分別為100、200、300r/min。使用氮氧分析儀檢測熱等靜壓AlTi合金樣品的氧含量，使用金相顯微鏡和掃描電鏡檢測熱等靜壓AlTi合金樣品的組織形貌。
2、試驗結果及討論
2.1粉末預處理工藝對氧含量及致密度的影響
不同粉末與處理工藝下經熱等靜壓所得的AlTi合金組織氧含量及致密度情況如表1所示，其中不經粉末預處理工藝的AlTi合金在球磨轉速一欄標記為0。隨著球磨預處理工藝中轉速的提升，所得AlTi合金的氧含量逐漸降低。轉速提升到300r/min時的靶材氧含量與不經預處理工藝時的靶材氧含量降低了58.6%，效果較為顯著。由于Ti、Al兩種金屬化學性質較為活潑，在儲存過程中易在粉末顆粒表面形成一層脆性氧化膜。Ti顆粒較硬較脆，顆粒邊界的棱角和顆粒表層的氧化膜在球磨過程中經受撞擊會發生破碎并脫落；Al由于塑性較好，其粉末表層的氧化膜在脫落的同時還可能被擠壓進顆粒內部。這種脆性氧化膜經過球磨破碎，與原始粉末逐漸脫離開，再經離心分離工藝隨著異丙醇一起排出，從而降低了Ti、Al兩種粉末的氧含量。
當靶材致密化程度低時，即靶材組織孔洞數量多時，靶材的力學加工性能會變差，靶材在鍍膜過程中的開裂趨勢會增加。在多弧離子鍍膜過程中，這些孔洞周圍的材料融化時會受熱急劇膨脹出現“爆炸”現象[9]，使周圍的金屬以大液滴的形式離開靶材表面，當這些大液滴沉積到生長著的刀具表面膜層時會形成大顆粒，惡化刀具表面膜層的性能，從而影響刀具的切削性能和使用壽命。未經粉末預處理工藝制備的靶材組織與球磨轉速為100r/min時的粉末預處理工藝制備的靶材組織對比如圖1所示。當原材料氧含量較多時，HIP壓制時的致密化過程會受到影響，靶材組織容易被這些氧化膜隔離開，形成部分孔洞。增加粉末預處理工藝使制備的靶材組織的孔洞數量明顯降低，致密化程度有了較明顯的改善。
2.2對顯微組織的影響
經熱等靜壓所得的AlTi合金中Al相的顯微組織如圖2所示。未經球磨工藝處理的試樣Al基體晶粒較為粗大，經過球磨工藝處理后Al基體的晶粒變得細小，且隨著球磨轉速的增加晶粒逐漸變得細小均勻。未經粉末預處理工藝的Al基體平均晶粒尺寸一般大于10μm，當粉末預處理工藝中球磨機轉速達到300r/min時靶材中Al基體的平均晶粒尺寸可達到2μm，晶粒細化效果非常明顯，這對提高靶材的鍍膜工藝性能有幫助。靶材中Al基體的微觀組織狀態受球磨和熱等靜壓兩個工藝的復合影響，在熱等靜壓工藝穩定的情況下，球磨轉速的不同對Al基體組織的影響占據決定性因素。
在整個AlTi合金制備工藝中，Al粉在球磨時由于互相碰撞會產生塑性變形；熱等靜壓時，在壓力150MPa和溫度400℃的綜合作用下，Al顆粒發生塑性變形并填充Ti顆粒周圍不規則的區域，在此過程中Al會發生回復和再結晶行為。整個AlTi合金的制備過程，主要目的之一就是細化Al基體相的晶粒，主要表現為熱等靜壓過程中的再結晶行為。其中熱等靜壓過程提供的應變能是一致的，球磨給予Al顆粒的應變能對促進熱等靜壓中的再結晶行為起到了決定性作用。
3、結論
（1）在傳統熱等靜壓工藝前添加轉速為300r/min的球磨工藝，離心分離工藝，獲得了低氧含量、高致密度、細Al晶粒的鋁鈦合金靶材制備方法，氧含量可控制到0.12wt%的水平，致密度達99.9%，Al基體晶粒尺寸可控制到2μm的水平。
（2）隨粉末預處理工藝中球磨轉速的提升，Ti顆粒和Al顆粒表面的脆性氧化物破碎脫落的程度逐漸增加，所制備AlTi合金的氧含量逐漸降低，致密度逐步提升。
（3）隨粉末預處理工藝中球磨轉速的提升，Al粉中的應變能逐漸提高，為熱等靜壓過程中Al相的再結晶行為提供了更大驅動力，使鋁鈦合金中Al基體晶粒更加細小均勻。
參考文獻：
[1]Escudeirosantana A， Karimi A， Derflinger V H， et al．The role of hcp-AlN on hardness behavior of TiAlN nanocomposite during annealing[J]．Thin Solid Films，2004，469：339-344．
[2]Kim G S， Lee S Y， Hahn J H．Properties of TiAlN coatings synthesized by closed-field unbalanced magnetron sputtering [J]．Surface & Coatings Technology，2005，193(1/3)：213-218．
[3]Zywitzki O， Klostermann H， Fietzke F， et al．Structure of superhard nanocrystalline (Ti,Al)N layers deposited by reactive pulsed magnetron sputtering
[J]．Surface & Coatings Technology，2006，200(22/23)：6522-6526．
[4]Recco A A C， Oliveira I C， Massi M， et al．Adhesion of reactive magnetron sputtered TINx and TICy coatings to AISI H13 tool steel [J]．Surface & Coatings Technology，2007，202(4/7)：1078-1083．
[5]Devia D M， Restrepo Parra E， Velez-Restrepo J M．Structural and morphological properties of titanium aluminum nitride coatings produced by triode magnetron sputtering [J]. Ingeniería Y Ciencia Ing Cienc，2014，10(20)：51-64．
[6]Schalk N， Weirather T， Polzer C， et al．A comparative study on Ti1-xAlxN coatings reactively sputtered from compound and from mosaic targets
[J]．Surface & Coatings Technology， 2011，205(19)：4705-4710．
[7]Esguerra-Arce A， Arce J E， Yate L， et al．Influence of the Al content on the in vitro bioactivity and biocompatibility of PVD Ti1-xAlxN coatings for orthopedic applications [J]．Rsc Advances，2016，6(6)：60756．
[8]梁俊才，周武平，張鳳戈，等．濺射靶材對 TiAlN 涂層形貌、結構和力學性能的影響[J]．真空科學與技術學報，2014，34(7)：714-719．
[9]Boxman R L， Goldsmith S．Macroparticle contamination in cathodic arc coatings：generation，transport and control [J]. Sur-face & Coatings Technology，1992，52(1)：39-50．
相關鏈接
