“硬质材料”专栏 | MDPI Coatings：工艺条件对CVD α-Al2O3生长和织构的影响

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专栏简介

“硬质材料”专栏由Technologies 编委郭智兴博士主持，专注于难熔金属与硬质材料的材料制备与表征、数控刀具设计制造技术等研究工作。

郭智兴 博士

四川大学

四川省切削刀具智能设计与服务工程技术研究中心副主任，正高职称，博士生导师，四川省学术与技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才，“常春藤”Brown University 国家留学基金委公派访问学者。长期主要从事粉末冶金、涂层、焊接等材料加工技术，难熔金属与硬质材料 (WC 基硬质合金、TiCN 基金属陶瓷) 的材料制备与表征，数控刀具设计制造技术等研究工作。主持国家自然科学基金、四川省重大专项/重点研发项目 (课题) 等20余项；主研国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备”3项，国家自然基金重点项目1项。在国际学术期刊发表 SCI 论文100余篇 (其中中科院一区70余篇)，引用1600余次，H-index 为25；授权发明专利36项，转化4项；获四川省科技进步二等奖1项及市级一等奖1项。

引言

涂层是切削刀具发展史上的一个里程碑，硬质刀具材料经过涂层后可获得高的表面耐磨性、硬度、抗氧化性、化学稳定性和低的摩擦系数，涂层作为化学屏障和热屏障可降低切削刀具磨损，提高切削刀具寿命。目前，涂层技术主要包括物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉积 (CVD)；采 CVD 技术沉积的 Al₂O₃ 涂层，具有优异的化学惰性和高温硬度等优异的性能，特别适合于铸铁和钢的车削和铣削加工。多年来，CVD Al₂O₃ 涂层沉积技术取得了很大进展，引入特定的成核和氧化步骤使 H₂S 催化的 Al₂O₃ 厚膜涂层制备成为可能，在 MTCVD Ti(C,N) 中间层上沉积定向生长的 α-Al₂O₃ 涂层技术近年来受到广泛关注，具有 (0001) 织构的 α-Al₂O₃ 涂层具有更优异的耐磨性。

研究内容

该研究中，先在 WC-(Ta,Nb)C-Co 硬质合金基体上制备 TiN 薄层，再沉积3 μm的 MTCVD Ti(C,N) 层和高温 Ti(C,N) 层，最后沉积 α-Al₂O₃ 层。沉积了多层涂层以研究 CO₂ 和 H₂S 对 α-Al₂O₃ 生长的影响，沉积了单层 α-Al₂O₃ 涂层以研究织构的形成过程，利用 XRD、SEM 和 EBSD 对涂层的微观结构和织构进行了表征。

图1是沉积在 MTCVD Ti(C,N) 层上的8层 α-Al₂O₃ 组成的氧化铝多层涂层的 SEM 和 EBSD 图，这些涂层沉积时的 H₂S 含量为0.1~1.6 vol%。从图1c中可见，随着 H₂S 掺杂的增加，α-Al₂O₃ 的择优取向从第一层和第二层中的 (112̅0) 变为 (0001)。

图1. α-Al₂O₃ 多层涂层的截面 SEM 照片。(a) CO₂＝4 vol% 时涂层的背散射 SEM 图像；(b) CO₂＝6 vol% 时的涂层的明场 SEM 图像；(c) 在 CO₂＝6 vol% 时涂层横截面 EBSD 反极图。

α-Al₂O₃ 的生长速率强烈依赖于 H₂S 浓度 (如图2)，在较高的 CO₂ 水平下，H₂S 的影响更明显。在 CO₂ 水平为3 vol%、4 vol%和6 vol%时，生长速率的最大值分别出现在 H₂S 为0.3 vol%、0.6 vol%和0.9 vol%处。在 CO₂=6 vol% 和 H₂S 为0.9 vol%时，最大生长速率约为2.2 μm/h，与没有 H₂S 掺杂的情况下获得的小于0.1 µm/h的沉积速率相比，生长速率增加了20倍以上。在达到最大值后，生长速率随着 H₂S 的增加而降低，在所有的 CO₂ 水平下都观察到了这种现象，并且在最高 CO₂ 水平下更为明显，这可能与气相成核的趋势有关。

图2. CO₂=3 vol%、4 vol%和6 vol%时，α-Al₂O₃ 涂层的生长速率与 H₂S 的关系。

图3是不同 H₂S 和 CO₂ 体积分数下制备的涂层 XRD 图谱。可见，所有的涂层中都出现了明显的织构，具有 (101̅4) 和 (0006) 强织构的涂层 d 和 e 采用的 H₂S 浓度约为0.7 vol%，而 CO₂ 的浓度分别为6.25 vol%和3.25 vol%。(112̅0) 和 (101̅0) 织构涂层与在较高 H₂S 浓度和较低 CO₂ 水平条件下沉积的 (101̅2)、(101̅4) 和 (0006) 织构 α-Al₂O₃ 相比具有更高或同等的生长速度。所有的 α-Al₂O₃ 涂层由柱状颗粒组成。(101̅2) 织构涂层由稍小且更均匀的柱状晶粒组成，顶端为尖锐的金字塔形的晶粒。在沉积过程中，当 H₂S/CO₂ < 0.02 时，垂直于生长方向的柱状晶粒有明显的变宽趋势，并有明显的形成具有平坦表面而不是锋利的小面晶粒的倾向。因此，(112̅0) 和 (101̅0) 织构的 α-Al₂O₃ 涂层与其他织构 α-Al₂O₃ 涂层相比晶粒尺寸更大。

图3. 不同 H₂S 和 CO₂ 体积分数下制备的涂层 XRD 图谱。(a) H₂S=0.03 vol%，CO₂=6.25 vol%；(b) H₂S=0.08 vol%，CO₂=6.25 vol%；(c) H₂S=0.2 vol%，CO₂=3.25 vol%；(d) H₂S=0.7 vol%，CO₂=6.25 vol%；(e) H₂S=0.7 vol%，CO₂=3.25 vol%。

研究总结

本文研究结果表明，除了生长速率外，H₂S 还强烈影响 α-Al₂O₃ 涂层的织构。未经催化的 α-Al₂O₃ 涂层 (H₂S=0) 形成 (112̅0) 织构。随着 H₂S 浓度的增加，织构由 (112̅0) 织构转变为 (101̅0)、(101̅2) 和 (101̅4) 织构，再转变为 (0001) 织构。本研究为具有强织构的 α-Al₂O₃ 涂层制备提供了参考。

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阅读英文原文

原文出自 Coatings 期刊

Ruppi, S. Influence of Process Conditions on the Growth and Texture of CVD Alpha-Alumina. Coatings 2020, 10, 158. 

  Coatings 期刊介绍

主编：Alessandro Lavacchi, Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici (ICCOM-CNR), Italy;

Wei Pan, Tsinghua University, China

期刊专注于发表涂层、表面、界面及薄-厚膜领域的研究成果，刊载研究论文、综述及短讯，鼓励学者发表详细的实验和理论结果。

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*本文由Technologies 期刊编委郭智兴博士翻译撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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