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

2015-04-05 王萌萌天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院

　　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婵占夹g(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)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，最后用吹風(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)

弧離子鍍TiAlN薄膜的成分和結(jié)構(gòu)的影響研究