電弧離子鍍TiN/Ti納米多層膜的力學(xué)性能

2016-03-17 張臣天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院

　　采用多弧離子鍍技術(shù)，在不同沉積參數(shù)下合成具有納米調(diào)制周期的TiN/Ti 多層膜。利用X 射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、XP-2 臺(tái)階儀、XP 型納米壓痕儀、X 射線能譜儀(EDS)研究了調(diào)制周期對(duì)TiN/Ti 納米多層膜微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，膜層由TiN 和Ti 交替組成，不存在其它雜相，且TiN 薄膜以面心立方結(jié)構(gòu)沿(111)密排面擇優(yōu)生長(zhǎng)；TiN/Ti 多層膜外觀致密、平滑、顏色均勻金黃，隨著調(diào)制周期的減小，薄膜表面大顆粒數(shù)量和尺寸均減小，且氮含量逐漸升高，膜層硬度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

　　近年來(lái)，物理氣相沉積法制備的薄膜硬度高，化學(xué)性能穩(wěn)定，并且具有良好的摩擦性能等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于刀具、模具、各種耐磨零件以及微電子等領(lǐng)域之中，但在550℃的高溫下易氧化生成TiO2，影響其性能。隨著加工要求的不斷提高，研究綜合性能更優(yōu)良的薄膜顯得越來(lái)越重要。人們通過(guò)改進(jìn)工藝，例如：用磁過(guò)濾方法過(guò)濾大顆粒液滴、用復(fù)合鍍方法優(yōu)化薄膜性能，以及摻入其他金屬，如Al、C、Cr、Zr 等，這些方法均對(duì)薄膜性能有一定程度的提高。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，多層膜組成材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及各層間的復(fù)雜界面情況，均能夠改善膜層的韌性和抗開裂性能。但目前，對(duì)其性能的研究還較少，本文在TiN涂層和多層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用多弧離子鍍方法制備TiN/Ti 多層膜，分析研究調(diào)制周期對(duì)其結(jié)構(gòu)及其性能的影響。

　　1、實(shí)驗(yàn)

　　采用國(guó)產(chǎn)SA-700 6T 多弧離子鍍膜在高速鋼基體上制備TiN/Ti 多層膜，研究不同調(diào)制周期對(duì)TiN/Ti 多層薄膜力學(xué)性能的影響。

　　高速鋼基體樣品規(guī)格為10mm×10mm×15mm，首先將基體樣品在600 號(hào)、900 號(hào)、1200號(hào)、1500 號(hào)、2000 號(hào)砂紙上依次進(jìn)行打磨，然后，在拋光機(jī)上用剛玉微粉拋光，使高速鋼基體表面呈現(xiàn)鏡面光潔。鍍膜前，分別采用無(wú)水乙醇及丙酮對(duì)樣品進(jìn)行超聲清洗15 min，干燥后將其置于腔室的試樣架上，靶基距為300 mm。在工作時(shí)，采用純Ti 靶沉積鍍膜，引燃陰極靶電弧，用電弧對(duì)其蒸發(fā)；將沉積室的真空抽至5×10^-3 Pa 以下，通入Ar 氣，進(jìn)行輝光、濺射清洗。

　　納米多層膜由于具有較好的斷裂韌性和超硬超模效應(yīng)，從而備受關(guān)注。對(duì)于Ti、TiN 兩種材料形成的納米多層膜，相鄰兩層的厚度之和稱為調(diào)制周期,而它們的厚度之比稱為調(diào)制比。調(diào)制周期是影響TiN/Ti 多層膜性能的主要因素之一，在實(shí)驗(yàn)總時(shí)間一定的條件下，調(diào)制周期與周期數(shù)成反比。實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)兩種薄膜的沉積速率相同，TiN 層和Ti 層的沉積時(shí)間之比為5:1，即名義上調(diào)制比為5：1。為了制備出性能優(yōu)異的多層薄膜，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在相同名義調(diào)制比的情況下，沉積4 組調(diào)制周期不同的樣品，具體實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如表1 所示。首先，調(diào)節(jié)Ar 氣流量與N2 流量，沉積50minTiN；調(diào)節(jié)Ar 氣流量與氣壓，沉積10 minTi。真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認(rèn)為在相同實(shí)驗(yàn)條件下，保證實(shí)驗(yàn)總時(shí)間60 min 與調(diào)制比不變，分別改變沉積TiN 和Ti 的時(shí)間來(lái)改變周期數(shù)。

表1 TiN/Ti多層膜實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

TiN/Ti 多層膜實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)