采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、磁控濺射和陰極電弧離子鍍技術(shù)相結(jié)合的方法，合理利用金屬Cr靶和TiAl靶，選擇性地在硬質(zhì)合金基體上沉積了具有不同中間層(Cr、TiAl、TiAlN、Cr/TiAl/TiAlN)的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系類金剛石(DLC)涂層。選用拉曼光譜、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜儀對涂層形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征測試。同時，利用顯微硬度計、洛氏硬度計、劃痕測試儀和球磨儀系統(tǒng)地分析了涂層的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：基體/Cr/TiAl/TiAlN/DLC涂層體系綜合性能最佳，具有較高硬度(~3251HV)的同時結(jié)合性能最優(yōu)(合力~56.2N)，且抗磨損能力最強(qiáng)。Cr/TiAl/TiAlN較其它中間層可更有效地緩解涂層體系內(nèi)應(yīng)力并提高基體/涂層間的結(jié)合強(qiáng)度和抗磨損能力�；�體/TiAlN/DLC涂層體系復(fù)合硬度最高(~3350HV)，但其韌性最差、結(jié)合力最低(~35N)，在硬質(zhì)合金基體上直接沉積TiAlN作為中間層不利于提高基體/涂層間的結(jié)合強(qiáng)度。

　　類金剛石(diamond-likecarbon，DLC)涂層是含有sp3和sp2雜化的亞穩(wěn)態(tài)非晶碳膜，具有高硬度，低摩擦系數(shù)，優(yōu)異的耐磨性，良好的光學(xué)透過性和生物相容性等優(yōu)異性能，已在表面工程領(lǐng)域引起廣泛的關(guān)注。但實際應(yīng)用中，尚存在一些問題未得到有效解決。主要表現(xiàn)在：涂層內(nèi)應(yīng)力大、涂層/基體結(jié)合性能差。這限制了DLC涂層在工業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用。提高DLC涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)涂層體系的抗磨損能力越來越成為研究人員關(guān)注的重點。

　　降低內(nèi)應(yīng)力提高結(jié)合強(qiáng)度有多種方法途徑，通過摻雜金屬(Ti、Cr、W)和非金屬元素(N、Si、F)等可有效地降低涂層內(nèi)應(yīng)力，提高涂層/基體間的結(jié)合強(qiáng)度，但往往以降低涂層的硬度和彈性模量為代價，這就導(dǎo)致涂層的抗磨損能力大幅降低，無法對基體起到保護(hù)作用。

　　在基體與涂層間施加合適的中間層可有效地解決內(nèi)應(yīng)力和抗磨損能力的問題。其設(shè)計思想是通過一層或者多層中間層體系來改善基體與涂間的物理匹配性，并且能夠增強(qiáng)界面對位錯滑移的阻礙作用，提高涂層的韌性和抗磨損能力。中間層材料通常有Si、Al、Ti、Cr以及TiN、TiC、TiCN、TiAlN等。梯度中間層是通過控制沉積參數(shù)和沉積材料的成分配比，使涂層成分、組織、性能從基體到外層無界面連續(xù)變化，可消除涂層間的宏觀界面，逐漸釋放內(nèi)應(yīng)力，從而提高結(jié)合強(qiáng)度并保持硬度基本不變。

　　據(jù)文獻(xiàn)報道，在不銹鋼基體上沉積Ti/TiN/TiCN/TiC/DLC涂層，在提高涂層體系結(jié)合力的同時增強(qiáng)了頂層DLC的承載能力；在鋁合金表面制備Ti/TiNC/DLC涂層，內(nèi)應(yīng)力顯著降低且結(jié)合強(qiáng)度大幅提高，抗磨損能力也得到增強(qiáng)。上述文獻(xiàn)報道的中間層體系雖然能夠提高涂層結(jié)合強(qiáng)度和抗磨損能力，但由于沉積工藝的限制，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)難度較大并且在不同基體上沉積時結(jié)合性能呈現(xiàn)差異。Cr具有優(yōu)異的耐磨性，抗氧化能力強(qiáng)，且與各種硬質(zhì)合金相容性、結(jié)合性能較好。在基體表面沉積一層厚度適當(dāng)?shù)腃r可形成鍵合界面，提高涂層/基體間附著力；TiAl屬于硬度較高的金屬間化合物材料，同時又由兩種金屬元素組成，與硬質(zhì)合金基體結(jié)合性能優(yōu)異；TiAlN硬度高，具有較強(qiáng)的抗磨損能力，可用于充當(dāng)涂層體系中的第二抗磨損層；TiAl/TiAlN梯度過渡層能夠逐漸緩解內(nèi)應(yīng)力從而提高韌性和結(jié)合強(qiáng)度；Cr/TiAl/TiAlN中間過渡層能夠降低涂層體系熱膨脹不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力，既保證了涂層體系具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，又增強(qiáng)了涂層體系的抗摩擦磨損能力。

　　本文中，作者利用PECVD、磁控濺射和陰極電弧離子鍍技術(shù)在YG8硬質(zhì)合金基體上制備了一系列多層結(jié)構(gòu)體系的DLC涂層。分別以Cr、TiAl、TiAlN和Cr/TiAl/TiAlN為中間層，系統(tǒng)地研究了不同中間層類型對DLC涂層結(jié)構(gòu)、形貌、硬度、韌性、界面結(jié)合強(qiáng)度和抗磨損能力的影響規(guī)律。

1、制備方法

　　1.1、試樣制備

　　以YG8硬質(zhì)合金為基體材料，尺寸為17mm×10mm×5mm；基體經(jīng)拋光后用清水清洗5min，超聲波清洗20min，去離子水浸泡5min，最后經(jīng)無水乙醇脫水并烘干后裝入真空室內(nèi)的轉(zhuǎn)架上待用。制備涂層后，試樣采用電木粉熱鑲樣，分別經(jīng)200#、400#、600#、1000#、1200#砂紙依次打磨后，并用1μm的金剛石拋光膏拋光，最后用清水沖洗干凈，烘干后待SEM觀察涂層截面形貌用。其余測試所用試樣只需用無水乙醇將表面清洗干凈并烘干即可。

　　1.2、實驗方法

　　采用新型DC-PECVD技術(shù)制備DLC涂層，兩個離子束源安裝于腔體內(nèi)壁，以純度為97%的C2H2為反應(yīng)氣體。抽真空至5×10-3Pa，分別制備四種類型中間層。具體工藝參數(shù)如表1所示，中間層制備結(jié)束后通入C2H2氣體制備DLC涂層，其流量設(shè)定為50sccm，并持續(xù)240min，此時離子束電壓均為1200V，基體偏壓1050V。

表1 四種樣品的中間層制備工藝參數(shù)

　　1.3、性能表征

　　拉曼光譜測試采用RM2000型顯微共焦拉曼光譜儀，激光器波長：514.5nm，顯微尺寸范圍：1μm；DLC涂層橫截面形貌的觀察在Quanta200型掃描電子顯微鏡(SEM)下進(jìn)行，同時用EDS能譜儀進(jìn)行元素分布線掃描；硬度采用Duramin型顯微硬度計測試，載荷為0.98N，載荷保持時間為15s，每個試樣測試5個點取平均值；韌性測試采用洛氏硬度計進(jìn)行壓痕檢測并用配套光學(xué)顯微鏡觀察壓痕形貌；采用WS-2005涂層附著力自動劃痕儀測試涂層界面結(jié)合性能，加載速率20N/min，最大載荷200N，劃痕速率5mm/min，劃痕長度設(shè)定5mm；抗磨損性能采用球磨儀進(jìn)行測試。

結(jié)論

　　(1)中間層硬度對涂層復(fù)合硬度產(chǎn)生重要作用，TiAlN中間層樣品復(fù)合硬度最高(~3350HV)，TiAl中間層樣品顯微硬度最低(~2736HV)。Cr/TiAl/TiAlN中間層樣品復(fù)合硬度為~3251HV略低于TiAlN中間層樣品。合理選取中間層有利于控制涂層的復(fù)合硬度。

　　(2)Cr/TiAl/TiAlN中間層樣品具有最高的涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度(~58.2N)和最佳的涂韌性，其相應(yīng)的Rockwell-C壓痕等級為~HF3。Cr/TiAl/TiAlN梯度過渡層可有效緩解涂層與基體間的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)涂層韌性和結(jié)合強(qiáng)度，顯著提高涂層體系抗磨損能力。TiAlN中間層樣品結(jié)合性能最差，涂層體系脆性較大、韌性差。TiAlN不適于作為中間層而直接沉積到硬質(zhì)合金基體表面。