《Surface and Coatings Technology》：Effect of oxygen content on the microstructure and mechanical properties of AlCrSi(
O)N coatings prepared by ion source-assisted arc ion plating
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本研究采用离子源辅助弧离子镀技术制备了不同氧含量的AlCrSi(O)N自组织纳米多层涂层，系统研究了其微观结构、力学性能、热稳定性和摩擦磨损特性。结果表明，优化氧含量（O2/N2流比为291/9）的涂层具有最佳硬度（36.1±0.98 GPa）和耐高温性能，显著降低了硬质氮化物相生成，延长了切削工具寿命。
张腾飞|张泽|曹建宇|李继飞|Gobinda Gyawali|张世洪|王启民
教育部先进金属材料绿色制造与表面技术重点实验室，安徽工业大学，马鞍山，243002，中国
摘要
在本研究中，通过离子源辅助电弧离子镀（AIP）技术制备了具有不同氧含量的自组织纳米多层AlCrSi(O)N涂层。我们系统地研究了这些涂层的微观结构、机械性能、热稳定性、摩擦学行为和切削性能。结果表明，这些涂层主要由fcc-AlCrN和fcc-(Al,Cr)2O3相组成，同时还含有非晶氧化物相。由于基底的旋转，AlCrSi(O)N涂层形成了明显的纳米多层结构，即氮富集层和氧富集层交替排列。当O2/N2流量比为291/9时，Al0.21Cr0.22Si0.03O0.15N0.39涂层表现出最高的硬度，达到36.1 ± 0.98 GPa。氧的引入和自组织纳米多层结构的形成显著抑制了w-AlN相的生成，并延缓了Cr-N键的分解，从而有效提高了涂层的热稳定性和高温机械性能。此外，摩擦学实验和切削测试表明，Al0.21Cr0.22Si0.03O0.15N0.39涂层具有最低的磨损率和最长的切削寿命，显示出在加工难加工材料方面的出色应用潜力。
引言
难加工材料，如钛合金和高温合金，在汽车、核能和石化等行业中不可或缺。然而，加工这些材料面临诸多挑战，包括高切削力、高温切削、严重的工具粘附和工具磨损[1]、[2]、[3]。因此，通常用于这些材料的主流PVD涂层碳化物刀具需要满足更高的性能要求。
目前，氮化物涂层（如AlTiN、AlCrN和AlTiSiN）被广泛用作刀具涂层。然而，这些涂层的硬度在高温下会显著下降，并且与工件材料发生剧烈反应，这限制了切削速度和效率的进一步提高[4]、[5]、[6]、[7]。相比之下，氧化物涂层具有更好的热稳定性和化学稳定性，更适合高速切削。然而，它们较差的机械性能（如低硬度和韧性）限制了其更广泛的应用[8]。考虑到氮化物和氧化物涂层的各自优势，氧氮化物涂层有望结合两者的优点。
在过去二十年里，氧氮化物涂层受到了持续的关注和发展。研究人员利用PVD技术成功制备了多种氧氮化物涂层，包括CrON、AlON、ZrON、TiAlON、AlCrON、AlCrSi(O)N和AlCrYON[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。尽管一些研究表明氧的掺杂会降低涂层的机械性能（例如，A Khatibi等人[17]观察到通过电弧离子镀制备的CrAlON涂层中，随着氧含量的增加硬度降低），但其他研究者报告称氧掺杂不一定降低硬度，反而可以显著提高高温稳定性、抗氧化性并降低摩擦系数（COF）。例如，Zhu等人[18]发现通过非平衡磁控溅射制备的TiSiON涂层相比TiSiN涂层的摩擦系数显著更低。N Schalk等人[19]证明，适量的氧可以显著改善TaAlN涂层的高温性能，从而使TiAlON涂层的干切削性能优于TiAlN涂层。此外，Y Asamoto等人[20]、[21]发现，添加适量的氧可以大大降低W2N和BN涂层的内部应力。也有报道指出氧氮化物涂层的切削性能得到了提高；Rodríguez等人[22]表明，涂有AlCrOxN1-x的刀具在铣削316L不锈钢时的切削距离超过了24米，而未涂层刀具的切削距离仅限于6米。
为了进一步提高这些先进涂层的性能，特别是其结构和性能，离子源技术已成为PVD涂层过程中的关键技术。离子源（也称为Glow离子源GIS）是一种能够将中性原子或分子电离并提取离子束流的装置，已在PVD涂层过程中得到广泛应用。例如，He等人[23]利用离子源辅助HIPMIS技术在304不锈钢上沉积了TiN薄膜，证明了该方法增强了离子轰击效果，增加了反溅射，并减轻了沉积过程中的“阴影效应”，从而获得了更致密的薄膜结构。Cai等人[24]发现，高能离子源相比传统的轰击清洗方法可以降低表面粗糙度，提高结合强度，同时降低摩擦系数和磨损率，最终延长了刀具寿命。此外，我们之前的研究表明，氮富集层和氧富集层之间的界面不够清晰，且氧富集层太薄，无法有效抑制高温下w-AlN相的形成[25]、[26]。
在这项工作中，我们研究了不同氧含量对自组织纳米多层AlCrSi(O)N涂层的化学组成、结构调控、机械性能、热稳定性、摩擦和磨损性能以及切削性能的影响，使用了离子源辅助沉积技术。
章节片段
涂层沉积
AlCrSiN涂层和自组织纳米多层AlCrSi(O)N涂层是使用HAS500多功能PVD设备制备的。沉积过程中使用了Cr靶材（纯度99.9%，直径99.5毫米）和Al45Cr45Si10合金靶材（纯度99.7%，直径99.5毫米）。作为基材的是YT15硬质合金样品（尺寸：16 × 16 × 4.5毫米和40 × 10 × 0.1毫米）。研究了涂层的成分、表面和截面形态、机械性能、摩擦和磨损行为以及高温下的...
AlCrSi(O)N涂层的成分、微观结构和机械性能
图2显示了AlCrSi(O)N涂层的元素组成趋势。如图2(a)所示，随着氧流量的增加，Si、Al和Cr的浓度分别保持在大约3原子%、21原子%和23原子%左右。相反，当O2流量从0 sccm增加到30 sccm时，涂层中的氧含量从0增加到50.27原子%，而氮含量从52.21原子%降低到9.90原子%。图2(b)显示了Al/(Al + Cr)的比例...
结论
本文成功制备了具有不同氧含量的AlCrSi(O)N涂层。本研究的主要结论如下：
(1) AlCrSiN涂层呈现连续的柱状晶体结构。而Al0.21Cr0.22Si0.03O0.15N0.39涂层则形成了明显的纳米多层结构，氮富集层和氧富集层交替排列。
(2) 氧含量显著影响了涂层的机械性能。
作者贡献声明
张腾飞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。张泽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理。曹建宇：验证，数据管理。李继飞：形式分析，数据管理。Gobinda Gyawali：撰写 – 审稿与编辑。张世洪：资金筹集。王启民：概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国广东省自然科学基金（项目编号：2023A1515010042）和国家自然科学基金（项目编号：52375173，52271047）的支持。
