采用離子束輔助電弧離子鍍技術在高速鋼基體上制備TiN/Cu 納米復合薄膜，考察了基體脈沖負偏壓對薄膜成分、結構及硬度的影響。用X 射線光電子譜、X 射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡和納米壓痕等方法分別測試了薄膜的化學成分、結構、表面形貌、硬度以及彈性模量。結果表明，在氮離子束的轟擊作用下，隨著脈沖偏壓幅值從-100 V 增加到-900 V 時，薄膜中Cu 含量先增加而后略有降低，在1.05% ～ 2.50%( 原子比) 范圍內(nèi)變化。同時，脈沖偏壓對薄膜的結構也有明顯影響，在-100 V出現(xiàn)TiN( 111) 擇優(yōu)取向，當基體偏壓增加到-300 V 以上時，擇優(yōu)取向改變?yōu)門iN( 220) 擇優(yōu)。薄膜的Cu2p 峰均對應純金屬Cu，薄膜的晶粒尺寸約在11 ～17 nm 范圍內(nèi)變化。硬度和彈性模量隨著偏壓幅值增加而增大，當偏壓為-900 V 時，薄膜硬度和彈性模量達到最大值，分別為29. 92 GPa， 476 GPa，對應的銅含量為1. 91%。

　　自1994 年納米復合薄膜的概念和設計思想被Veprek 和Reiprich首次提出以來，納米復合膜以其獨特的物理和機械性能及廣闊的應用前景引起了科研工作者的廣泛關注。經(jīng)過不斷發(fā)展，納米復合膜按照其構成可分為兩類: 一類是由Veprek 等提出的nc-MeN/硬相納米復合膜，如nc-TiN/a-Si3N4和nc-TiN/a-TiB2等；另一類是由Musil 等提出的nc-MeN/軟相納米復合膜，即在過渡族金屬納米晶氮化物中添加少量的軟質(zhì)金屬合成的納米復合膜，如nc-TiN/a-Ni 和nc-ZrN/a-Cu，其中nc-和a-分別表示納米晶和非晶。

　　作為nc-MeN/軟相納米復合膜的典型代表TiN/Cu薄膜，以其優(yōu)異的超硬性能引起了科研工作者的關注。目前國內(nèi)外研究者多采用物理氣相沉積方法如直流磁控濺射、雙脈沖磁控濺射、低能離子束輻照磁控濺射、脈沖偏壓電弧離子鍍等方法制備TiN/Cu薄膜，且薄膜硬度多在25 ～ 40 GPa 范圍內(nèi)。與其它制備方法相比，離子束輔助沉積是在氣相沉積薄膜的同時，利用載能粒子轟擊正在生長的薄膜的一種物理氣相沉積技術。它具有可獨立調(diào)節(jié)成膜的參數(shù)、制備工藝可靠和穩(wěn)定的特點，特別是由于高能離子束能給沉積系統(tǒng)帶來足夠的能量，薄膜可以在相對較低的溫度下能形成良好的薄膜結構，且離子束的能量能轉(zhuǎn)移到薄膜的表面促進吸附原子的表面遷移率增加，從而改變薄膜的微觀結構和質(zhì)量，形成致密的薄膜。但采用離子束輔助電弧離子鍍技術沉積納米復合薄膜研究不多，本文采用離子束輔助電弧離子鍍技術在高速鋼( HSS) 基體上沉積TiN/Cu 納米復合膜，研究基體脈沖偏壓幅值對TiN/Cu 納米復合膜的成分、結構及硬度的影響。

1、實驗方法

　　薄膜在俄羅斯產(chǎn)的TRIO 自動化真空等離子裝置上制備，該裝置詳見文獻。該裝置配置兩個陰極真空電弧源，與文獻不同的是在裝置上方配置一個弧光放電離子源�；�體材料采用M2 高速鋼，經(jīng)過線切割切成尺寸大小為10 mm × 10 mm × 20mm 的方塊，然后機械研磨拋光。真空電弧靶材為TiCu 合金靶( Ti88%，Cu12% ( 原子比) ) ，基體固定在鍍膜室底部。鍍膜前，試樣在丙酮中用超聲波清洗10 min，熱風吹干后置于TRIO 等離子體真空處理裝置中。鍍膜室先抽真空度至6.0 × 10^-3 Pa，然后通入氬氣pAr = 0.4 Pa 進行濺射清洗5 min，后通入氮氣，氮氣氣壓為0.4 Pa，開啟鈦銅合金靶弧源，通過電弧放電產(chǎn)生金屬等離子體流，電弧電流為80 A，同時開啟弧光放電離子源電源，離子源通過氣體弧光放電產(chǎn)生氮離子，其放電電流固定為20 A，陰極電弧靶產(chǎn)生的等離子體與弧光放電離子源產(chǎn)生的氮離子同時轟擊基體表面�；�體脈沖偏壓輔值設定為-100，-300，-600 及-900 V，占空比均為30%，頻率為40 kHz。薄膜沉積溫度為370 ～ 430℃，沉積時間為60 min。用X 射線光電子能譜(XPS) 儀檢測膜的成分和化學狀態(tài)，濺射電壓2 kV，濺射速度0.2 nm/s；用掃描電鏡( SEM) 觀測試樣表面形貌; 采用D/max2400型X-ray 衍射( XRD) 儀分析結構，采用Cu 靶的Kα射線; 透射電子顯微鏡( TEM) 觀查膜的截面結構；采用納米壓痕儀測量硬度和彈性模量，最大載荷為3mN，壓入深度控制在低于膜厚的10%; 用Scherrer方程計算平均晶粒尺寸

　　式中，D 為平均晶粒尺寸；λ 為X 射線波長，其值為0.154156 nm；θ 為布拉格衍射角；B為膜衍射峰的半高寬(FWHM) 。

3、結論

　　(1) 采用離子束輔助電弧離子鍍方法通過改變脈沖偏壓幅值成功地制備了TiN/Cu納米復合膜，脈沖偏壓對薄膜的化學成分、結構及硬度有很大影響。脈沖偏壓從- 100 增加到- 900 V 時，薄膜的Cu 含量在1.05% ～2.5%范圍內(nèi)變化。

　　(2) TiN/Cu 薄膜由面心立方TiN( B1-NaCl) 結構構成，脈沖偏壓-100 增加到-300 V 以上時，TiN 擇優(yōu)取向由(111) 改變?yōu)?220) 。另外TiN 晶粒尺寸在11 ～17 nm 納米范圍內(nèi)，所制備的薄膜為nc-TiN/Cu納米復合薄膜。

　　(3) 在脈沖偏壓幅值為-900 V 時，TiN/Cu 薄膜獲得硬度值最大29.92 GPa，此時對應的Cu 含量為1.91%。