采用碳化釩靶的磁控濺射方法在不同的Ar 氣壓下制備了一系列碳化釩薄膜, 利用能量分析光譜儀, X 射線衍射,掃描電子顯微鏡, 原子力顯微鏡和微力學(xué)探針研究了氣壓對薄膜成分、相組成、微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明磁控濺射VC 陶瓷靶可以方便地制備晶體態(tài)的單相碳化釩薄膜, 并且濺射氣壓對薄膜的化學(xué)成分、相組成、微結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的力學(xué)性有較大的影響。在濺射氣壓為2.4~ 3.2 Pa 的范圍內(nèi), 可獲得結(jié)晶程度好和硬度與彈性模量較高的碳化釩薄膜, 其最高硬度和彈性模量分別為28, 269 GPa。低的濺射氣壓( 0.32~ 0.9 Pa) 下, 所得薄膜結(jié)晶較差且硬度較低; 過高的濺射氣壓( > 4.0 Pa) ,薄膜的濺射速率降低, 結(jié)晶變差, 其硬度和彈性模量亦隨之降低。低氣壓下薄膜碳含量較高和高氣壓下濺射原子能量降低可能是薄膜結(jié)晶程度降低的主要原因。

　　陶瓷硬質(zhì)涂層作為表面改性材料在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在刀具涂層上, TiN 薄膜取得了巨大成功, 有力地推動了制造業(yè)自動化、規(guī)模化的發(fā)展。繼TiN 以后, 過渡族金屬氮化物, 如CrN,ZrN,TiAlN 等性能更為優(yōu)異并各具特色的涂層又相繼推出, 為滿足不同加工方式和加工條件下刀具對涂層的特殊要求提供了選擇的空間 。與氮化物相比, 碳化物同樣具有許多優(yōu)異的綜合性能而且硬度更高, 但是, 過渡族金屬碳化物的相組成一般都較其氮化物復(fù)雜, 制備技術(shù)也相對困難, 限制了這類有很大潛力涂層材料的發(fā)展。因而在工具涂層中, 只有TiC 和TiCN 薄膜得到較多的研究和應(yīng)用。

　　碳化釩是硬度最高的過渡金屬碳化物之一, 作為工具涂層還具有低摩擦系數(shù), 低導(dǎo)熱率和高耐蝕性等優(yōu)異性能, 并且使用中還可因表面形成V2O5 的自潤滑作用顯著降低刀具的切削阻力。反應(yīng)濺射是碳化釩薄膜最為常見的制備方法, Aouni, 李廣澤等分別采用金屬V 靶及CH4 和金屬V 靶及C2H2 反應(yīng)濺射制備了不同碳含量的碳化釩薄膜, 發(fā)現(xiàn)反應(yīng)氣體分壓對碳化釩薄膜相組成及微結(jié)構(gòu)影響很大, 隨著反應(yīng)分壓的升高, 可因碳含量的不同獲得V, V2C,V8C7, VC 及VC 與C 多種單相或多相共存的一系列碳化釩薄膜。但是以上研究皆使用含氫的碳化物氣體( 如CH4, C2H2) 作為反應(yīng)氣體, 然而氫的存在會對薄膜產(chǎn)生許多不利的影響 。另外Balden等使用石墨靶和金屬V 靶反應(yīng)濺射制備并研究了碳化釩薄膜, 但由于碳化釩薄膜具有許多復(fù)雜相結(jié)構(gòu), 利用反應(yīng)濺射技術(shù)很難控制薄膜的相組成而獲得單相的VC 薄膜。

　　采用碳化釩陶瓷靶濺射可以避免反應(yīng)濺射中氫所帶來的諸多不利影響, 并且可以很方便地控制薄膜成分和相組成, 從而得到單相的碳化釩薄膜。但迄今利用陶瓷靶濺射制備碳化釩薄膜, 以及工藝參數(shù)的改變對薄膜微結(jié)構(gòu)和性能的影響尚不多見。

　　本文采用碳化釩靶的磁控濺射技術(shù)在不同工藝參數(shù)下制備了一系列碳化釩薄膜, 研究了濺射氣壓對碳化釩薄膜成分、相組成、微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響。

1、實驗過程

　　實驗薄膜采用ANELVA SPC-350 多功能磁控濺射儀制備。碳化釩靶( 純度為99.9% ) 由射頻陰極控制; 不銹鋼基片經(jīng)1 m 金剛石研磨膏拋光, 并經(jīng)丙酮和無水酒精超聲清洗并脫水后裝入真空室內(nèi)的基片架, 基片到靶的距離為5 cm。背底真空優(yōu)于1X10^{- 3} Pa 后, 高純Ar( 純度為99.999%) 氣體充入真空室中, 通過Ar 氣壓強(qiáng)的改變( 0.32~ 4.8 Pa) 獲得一系列碳化釩薄膜。沉積碳化釩薄膜前先在基片上沉積一層約100 nm 金屬Ti, 以提高薄膜與基體的結(jié)合力。薄膜沉積過程中, 基片溫度控制為450 , VC靶的濺射功率固定為100W, 沉積時間為2 h, 并且不對基片施加負(fù)偏壓。

　　薄膜的相組成分析在Rigaku D/ max􀀁2550/ PC 型X 射線衍射儀( XRD) 上進(jìn)行, 采用Cu-Ka線; JSM-7500F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡( SEM) 及其附帶的OXFORD INCA 型X 射線能量色散譜儀( EDX) 用于觀察薄膜的生長結(jié)構(gòu)并分析成分; 利用Nanoscope II-Ia 型原子力顯微鏡(AFM) 觀察了薄膜的表面生長形貌。薄膜的硬度和彈性模量在Fischerscope H100 型微力學(xué)探針上測量, 采用維氏壓頭, 每個樣品均測量20 個點以上, 然后取平均值。

3、結(jié)論

　　采用在Ar 氣體中的射頻磁控濺射碳化釩陶瓷靶可以方便地獲得單相碳化釩薄膜。濺射氣壓對薄膜的化學(xué)成分、相組成、微結(jié)構(gòu)、沉積速率以及相應(yīng)的力學(xué)性有較大的影響。在濺射氣壓為2.4~ 3.2
Pa 的范圍內(nèi), 所得薄膜結(jié)晶程度較好并且硬度與彈性模量較高, 最高硬度和彈性模量分別為28 GPa 和269 GPa。低的濺射氣壓( 0.32~ 0.9 Pa) 下, 所得薄膜C 含量較高, 結(jié)晶較差且硬度較低; 過高的濺射氣壓( > 4.0 Pa) 將導(dǎo)致薄膜沉積速率降低, 結(jié)晶變差, 其硬度和彈性模量亦隨之降低。