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脈沖偏壓對(duì)多弧離子鍍TiAlN薄膜的成分和結(jié)構(gòu)的影響研究
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2015-04-08  閱讀

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采用多弧離子鍍?cè)诟咚黉摶咨铣练eTiAlN薄膜。利用掃描電鏡(SEM)觀測(cè)薄膜的表面形貌;用EDS分析薄膜表面的成分;用表面輪廓儀測(cè)試薄膜的厚度并結(jié)合沉積時(shí)間計(jì)算出沉積速率;用維氏硬度儀測(cè)量薄膜的硬度;用XRD表征薄膜的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,隨著偏壓峰值的增大,表面大顆粒逐漸減少,致密性逐漸變好,薄膜硬度也隨之增加。沉積參數(shù)對(duì)薄膜成分有影響,偏壓峰值對(duì)薄膜中Al含量有較明顯的影響,而占空比則主要影響Ti 含量。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了較詳細(xì)的討論和分析。

TiN作為第一代硬質(zhì)薄膜材料因其具有高硬度,低摩擦系數(shù),良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性被廣泛應(yīng)用于刀具模具的生產(chǎn)方面。但隨著人們對(duì)薄膜材料的要求日漸提高,TiN由于高溫抗氧化性較差,已不能滿足在高溫、高速切削、干切削刀具、模具等機(jī)械加工領(lǐng)域的要求。

TiAlN薄膜是在TiN 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型多元薄膜涂層材料,人們?cè)赥iN 中添加Al元素形成TiAlN 薄膜,Al 元素在高溫時(shí)易形成氧化鋁,在很大程度上可以有效提高薄膜的高溫抗氧化性能。TiA1N 薄膜集TiN 和A1N 薄膜的高硬度、高氧化溫度、好的熱硬性、強(qiáng)附著力、低摩擦系數(shù)、低導(dǎo)熱率等優(yōu)良特性于一身,在機(jī)械、導(dǎo)電以及抗氧化和抗腐蝕等方面取得了讓人滿意的結(jié)果。因此TiAlN 被認(rèn)為是較TiN 更有前途的新型涂層材料,被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,例如微型高精密軸承、運(yùn)載飛機(jī)、衛(wèi)星等方面。國(guó)內(nèi)外的許多研究人員運(yùn)用很多工藝來(lái)制備TiAlN 薄膜,并且做了大量的研究工作,也發(fā)現(xiàn)離子鍍膜工藝參數(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能有很重要的影響,如沉積氣壓、溫度、氮?dú)饬髁康龋?a href="http://www.92slsf.cn" target="_blank" class="keylink">真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvacuum.com/)認(rèn)為,基底偏壓也有很重要的影響。然而大家關(guān)注偏壓和占空比在宏觀上比如對(duì)形貌、硬度的影響很多,對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和原子組成關(guān)系的影響比較少。

本文在實(shí)驗(yàn)中固定直流偏壓為100 V,疊加不同的脈沖偏壓和不同占空比下成功制備了TiAlN薄膜,并對(duì)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、原子組成和力學(xué)性能進(jìn)行討論和總結(jié)。

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

沉積實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為國(guó)產(chǎn)SA-6T 型離子鍍膜機(jī)。采用多弧離子鍍方法,以高速鋼與硅片作為基體材料,經(jīng)機(jī)械拋光至表面呈鏡面。將基體浸入酒精溶液中超聲波清洗二十分鐘,再用丙酮溶液浸浴,用酒精溶液擦拭,z*后用吹風(fēng)機(jī)吹干,隨后將基體放于沉積室中央與Ti 靶和Al 靶的距離相同的基體支架上。實(shí)驗(yàn)本底真空為3×10-3 Pa,采用高純度鈦靶和鋁靶,以0.1 Pa 氬氣作為輔助氣體,0.4 Pa 氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體,氣壓一共為0.5 Pa。實(shí)驗(yàn)前輝光清洗15 分鐘,高壓濺射清洗3 分鐘,為提高膜的結(jié)合力,鍍3 分鐘鈦?zhàn)鳛檫^(guò)渡層。直流偏壓設(shè)定為100 V,鍍膜時(shí)間均為30 分鐘。根據(jù)設(shè)計(jì)好的參數(shù)條件來(lái)制備樣品,具體參數(shù)詳見(jiàn)表1,實(shí)驗(yàn)流程如圖1 所示。

表1 TiAlN 薄膜樣品的沉積參數(shù)

脈沖偏壓對(duì)多弧離子鍍TiAlN薄膜的成分和結(jié)構(gòu)的影響研究

圖1 制備薄膜流程示意圖

2、總結(jié)

本文使用多弧離子鍍的方法鍍制TiAlN薄膜,考察脈沖偏壓和占空比對(duì)TiAlN薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響,可以得出以下結(jié)論:

(1)隨著脈沖偏壓和占空比的增加,表面大顆粒均明顯減少,表面形貌效果變好。

(2) 偏壓峰值增大,沉積速率變?。辉黾诱伎毡?,沉積速率先增大后減小,占空比為40%時(shí),沉積速率z*大。

(3)Al 原子百分比主要受脈沖偏壓峰值的影響,隨著偏壓增大而減小;Ti原子百分比主要受占空比的影響,隨著占空比的增加而減小。

(4)隨著脈沖偏壓的增加,薄膜硬度先增加后減小;隨著占空比的增加,薄膜硬度先增加后減小,均有較為明顯的變化。

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