高熵合金AlCrNbSiTiV氮化物薄膜濺鍍參數(shù)的優(yōu)化

萬松峰 *，許春耀，張鈺乾

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 東莞 523808；2.龍華科技大學(xué)機(jī)械工程系，臺灣 桃園 33306）

工業(yè)上隨著高硬度合金的應(yīng)用和干切削的發(fā)展，人們對刀具的切削性能和使用壽命要求越來越高。為獲得高硬度、高耐磨性、高韌性和低摩擦因數(shù)的刀具，于是采用真空濺鍍技術(shù)將硬度高、韌性好和耐磨的硬質(zhì)材料鍍于刀具表面。刀具濺鍍薄膜靶材的選擇和濺鍍工藝參數(shù)的設(shè)定對降低刀具磨耗、延長壽命起著決定性作用。臺灣國立清華大學(xué)的葉均蔚教授在1995年提出高熵合金的觀念[1]，它由5種以上、13種以下的元素組成，其中每種主元素的原子分?jǐn)?shù)介于5% ～ 35%之間，也可加入次元素來改質(zhì)。高熵是其重要特征，有助于合金微結(jié)構(gòu)簡化，使微結(jié)構(gòu)傾向于納米化及非晶化[2]。與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等特點，可作為刀具濺鍍薄膜的靶材。2004年，Chen等[3]首次利用直流反應(yīng)式濺鍍法制備了AlCoCrCuFeMnNi和Al0.5CoCrCuFeNi合金及其氮化物薄膜，均呈現(xiàn)高硬度、高穩(wěn)定性和化學(xué)惰性。2009年，Huang等[4]研究了基材溫度(100 ～ 500 °C)和退火處理對(AlCrNbSiTiV)N高熵合金氮化物薄膜的化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響。2018年，筆者的課題組[5]研究了基材偏壓對 (AlCrNbSiTiV)N薄膜形貌、元素含量、物相成分和性能的影響。高熵合金濺鍍工藝參數(shù)一般包含沉積時間、基材偏壓、濺鍍功率、基材溫度等，采用單因素實驗法探討單一濺鍍參數(shù)對濺鍍(AlCrNbSiTiV)N薄膜性能的影響很難得出最佳的濺鍍參數(shù)組合。采用全因子實驗來研究多種濺鍍參數(shù)組合變化時，實驗次數(shù)多，研究周期長。用田口方法[6]規(guī)劃實驗和分析數(shù)據(jù)，可以快速、經(jīng)濟(jì)地找出最佳的參數(shù)組合。但(AlCrNbSiTiV)N薄膜的性能也是多方面的，田口方法卻僅適用于單目標(biāo)性能的優(yōu)化，不太適用于多目標(biāo)性能的優(yōu)化[7]。灰關(guān)聯(lián)則可以將多目標(biāo)優(yōu)化問題簡化為僅對灰色關(guān)聯(lián)度的單目標(biāo)優(yōu)化[8]。

本文利用直流反應(yīng)式磁控濺射設(shè)備在住友刀具BNX20和硅晶片上沉積(AlCrNbSiTiV)N薄膜，運用田口實驗法設(shè)計正交表，通過信噪比(S/N)和方差分析(ANOVA)來研究沉積薄膜的性能特征，通過灰關(guān)聯(lián)分析對濺鍍薄膜的沉積速率、顯微硬度、刀具壽命等多個目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

1 實驗

1.1 實驗方法

采用純度均大于99.9%的鋁、鉻、鈮、硅、鈦和釩為原料，按照AlCr2.5NbSiTiV的原子比，利用真空電弧熔煉法制備AlCrNbSiTiV高熵合金。通過直流反應(yīng)式磁控濺鍍沉積設(shè)備將靶材表面的原子轟擊出來，沉積到住友BNX20刀具和硅晶片上，形成高熵合金氮化物薄膜[5]。利用Kosaka公司的ET-4000A表面輪廓儀測量硅晶片上的薄膜厚度，以此計算沉積速率。利用Mitutoyo公司的HM-100微硬度儀測量薄膜硬度。用鍍(AlCrNbSiTiV)N薄膜的刀具斷續(xù)沖擊干切削硬度為 58 HRC的鉻鉬合金鋼滾珠螺桿，采用Mitutoyo公司的Suftest-402型輪廓儀測量滾珠螺桿的表面粗糙度Ra。當(dāng)Ra＞ 0.1 mm時，判定刀具壽命終止，以切削加工長度來表示刀具壽命。

采用田口方法分析沉積時間、基材偏壓、濺鍍功率和基材溫度對濺鍍薄膜的沉積速率、薄膜硬度和刀具切削性能的影響，然后通過灰色關(guān)聯(lián)實現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)化。各因子的取值和水平見表 1，L9(34)四因素三水平正交表見表2。

表1 試驗因素與水平Table 1 Factors to be tested and their levels

表2 L9(34)正交表Table 2 L9(34) orthogonal array

1.2 田口數(shù)據(jù)分析

信噪比(以η表示)反映一次實驗的平均值和偏差，以它作為特征值進(jìn)行，可達(dá)到改善并尋求最佳優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)[9]。(AlCrNbSiTiV)N薄膜的沉積速率(V)、硬度(H)和刀具壽命(L)都具有望大特性，即希望愈大愈好。n個具有望大特性的實驗數(shù)據(jù)(y1、y2……yn)的望大信噪比Lη按式(1)計算，文中n= 9。

信噪比極差R按式(2)計算，其中ηmax和ηmin分別表示實驗輸入?yún)?shù)的最大信噪比和最小信噪比。

總離差平方和SST按式(3)計算，其中是實驗數(shù)據(jù)y1、y2……yn的平均值。

均方MS按式(4)計算，其中f表示試驗參數(shù)的自由度，文中f= 2。

貢獻(xiàn)率CN按式(5)計算，其中MSN表示試驗輸入?yún)?shù)N的均方，文中N可取A、B、C和D。

1.3 灰關(guān)聯(lián)分析

灰色系統(tǒng)理論[10]由華中科技大學(xué)鄧聚龍教授于1982年提出，針對廣泛存在于客觀世界中具有灰色性的問題，建立具有多變量輸入資訊不完全的系統(tǒng)模型。灰關(guān)聯(lián)是灰色系統(tǒng)理論中的一種通過衡量系統(tǒng)各因子間的關(guān)聯(lián)度大小，確定參考序列和比較序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度的分析方法[11]。為了保證沉積速率、薄膜硬度和刀具壽命具有等效性和同序性，在灰關(guān)聯(lián)分析前對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。望大特性無量綱化數(shù)據(jù)處理公式見式(6)，其中表示第k項性能(文中k可取V、H和L)的第i個原數(shù)據(jù)，表示其無量綱化后的數(shù)據(jù)，minyk?和maxyk?分別表示該項性能所有數(shù)據(jù)中的最小值和最大值。

望大特性無量綱化數(shù)據(jù)偏差Δik的計算如式(7)，其中表示參考值(本文取1)。

灰關(guān)聯(lián)系數(shù)ikξ計算如式(8)，其中μ表示分辨系數(shù)(本文取0.5)，和分別表示該項性能無量綱化數(shù)據(jù)偏差的最小值和最大值。

灰關(guān)聯(lián)度iγ的計算見式(9)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

表3列出了沉積速率、薄膜硬度和刀具壽命的2次平行實驗結(jié)果以及按式(1)計算的信噪比。3個指標(biāo)均在A1B3C3D3(即實驗3)時最大。

表3 實驗結(jié)果與信噪比Table 3 Experimental results and calculated S/N ratios

2.2 方差分析

2.2.1 影響薄膜沉積速率的因素

根據(jù)表3，利用式(2)-(5)計算沉積速率的信噪比極差、離差平方和、均方及貢獻(xiàn)率(見表4)，得出影響最大的因子為濺射功率，其次是基材溫度，沉積時間和基材偏壓的影響較小。

表4 沉積速率的方差分析Table 4 ANOVA for deposition rate

如圖1所示，沉積速率的信噪比隨沉積時間、濺射功率和基材溫度的增大而增大，隨基材偏壓的增大而減小。提高濺射功率能得到較高的薄膜沉積速率，因為離子能量得到了增加，離子能以較大的加速度撞擊靶材表面，濺射出較多的靶材原子，靶材原子又以較快的速率飛向基材。根據(jù)沉積速率的望大特性，確定A3B1C3D3時效果最佳。

圖1 沉積速率信噪比的因子-響應(yīng)圖Figure 1 S/N ratios of deposition rate at different control levels of factors

2.2.2 影響薄膜硬度的因素

由表5可知，影響薄膜硬度最大的因子是基材溫度，其次是濺射功率和基材偏壓，沉積時間的影響則微乎其微。

表5 薄膜硬度的方差分析Table 5 ANOVA for film microhardness

由圖2可知，薄膜硬度的信噪比隨沉積時間延長而減小，隨基材溫度升高而增大，隨濺射功率和基材偏壓的增加而先增大后減小。提高基材溫度可獲得硬度較高的薄膜，因為隨著基材溫度升高，薄膜內(nèi)部空隙減少。根據(jù)薄膜硬度的望大特性，確定A1B2C2D3時效果最佳。

圖2 薄膜硬度信噪比的因子-響應(yīng)圖Figure 2 S/N ratios of film microhardness at different control levels of factors

2.2.3 影響刀具壽命的因素

由表6可知，影響刀具壽命最大的因素為基材溫度，其余3個因素的影響都差不多。

表6 刀具壽命的方差分析Table 6 ANOVA for tool’s life

從圖3可知，刀具壽命的信噪比隨沉積時間延長而縮短，隨濺射功率和基材溫度提高而延長，隨基材偏壓增加而先延長后縮短。根據(jù)刀具壽命的望大特性，確定A1B2C3D3時效果最佳。

圖3 刀具壽命信噪比的因子-響應(yīng)圖Figure 3 S/N ratios of tool’s life at different control levels of factors

2.3 灰關(guān)聯(lián)多目標(biāo)優(yōu)化與驗證

由表7可知，A1B3C3D3的灰關(guān)聯(lián)度最大。

表7 多目標(biāo)信噪比的灰關(guān)聯(lián)度Table 7 Grey relational grade of multi-objective S/N ratio

根據(jù)表7對灰關(guān)聯(lián)度信噪比進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表8。可見影響灰關(guān)聯(lián)度最大的因子為基材溫度，濺射功率略次之。

表8 灰關(guān)聯(lián)度的方差分析Table 8 ANOVA for grey relational grade

由圖4可知，灰關(guān)聯(lián)度的信噪比隨沉積時間延長而減小，隨濺射功率和基材溫度升高而增大，隨基材偏壓的增加而先增大后減小。根據(jù)沉積速率、薄膜硬度和刀具壽命望大的特性，確定A1B2C3D3為最佳。

圖4 灰關(guān)聯(lián)度信噪比的因子-響應(yīng)圖Figure 4 S/N ratios of grey relational grade at different control levels of factors

獲得系統(tǒng)最佳參數(shù)組合后進(jìn)行實驗驗證，結(jié)果見表9?？梢娀谊P(guān)聯(lián)優(yōu)化所得工藝參數(shù)組合在3個指標(biāo)上與正交試驗中最優(yōu)組相比均有不同程度的改善。

表9 正交試驗最優(yōu)組與灰關(guān)聯(lián)優(yōu)化實驗組的比較Table 9 Comparison between orthogonal array table and grey relational grade

3 結(jié)論

通過直流反應(yīng)式磁控濺鍍法在刀具和硅晶片上制備了高熵合金氮化物薄膜(AlCrNbSiTiV)N，利用田口正交表探討了不同工藝參數(shù)對沉積速率、薄膜硬度和刀具壽命的影響，配合灰關(guān)聯(lián)分析找出了最佳參數(shù)組合，并予以實驗驗證。基材溫度和濺射功率是實現(xiàn)最佳目標(biāo)的兩個重要因子。在沉積時間20 min、基材偏壓-100 V、濺射功率250 W和基材溫度400 °C的最佳條件下，沉積速率為17.28 nm/min，薄膜硬度為2 814 HV，刀具可切削長度2.50 m。