HIPIMS技術(shù)制備CrN涂層及其結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究.pdf

1、CrN涂層具有較高的硬度、優(yōu)良的韌性和摩擦磨損以及熱穩(wěn)定性和抗高溫氧化性等優(yōu)點(diǎn)，在切削刀具、模具、航空航天、裝飾等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景，目前制備CrN涂層的主要方法有電弧離子鍍、普通直流磁控濺射。電弧離子鍍具有高離化率沉積涂層硬度高以及膜基結(jié)合力好等優(yōu)點(diǎn)，然而電弧溫度過(guò)高容易產(chǎn)生大液滴導(dǎo)致涂層表面粗糙和光學(xué)性能差，并且當(dāng)涂層沉積厚度增加時(shí)涂層內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)的增加。而普通的直流磁控濺射沉積的涂層表面光滑，但是濺射出來(lái)的粒子大多數(shù)以原子

2、狀態(tài)存在，離化率低（約1％），涂層的硬度、膜基結(jié)合力等較差。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS）聚集了電弧離子鍍和普通磁控濺射的優(yōu)點(diǎn)其具有較高的離化率、無(wú)大顆粒，沉積的涂層致密光滑，性能優(yōu)異，近年來(lái)已得到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者們的廣泛關(guān)注。本論文采用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)制備CrN涂層，并重點(diǎn)研究電源放電特性、氣壓、脈沖電壓、基體偏壓對(duì)CrN涂層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的

3、影響。相關(guān)的研究結(jié)果旨在實(shí)現(xiàn)HIPIMS技術(shù)制備高性能的CrN涂層技術(shù)突破，為其在刀具切削、模具、航天航空、微電子等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
　　研究結(jié)果表明:脈沖電壓和氣壓對(duì)電源的脈沖電流影響較大，隨著脈沖電壓的增加，脈沖電流大幅度增加，表明靶材的離化率得到了很大的提高。在氣體足夠電離形成等離子體的情況下，氣壓是影響腔體內(nèi)部粒子自由程的關(guān)鍵因素，氣壓越大，粒子的自由程越小，碰撞愈強(qiáng)烈，粒子的能量損失越大，導(dǎo)致隨著氣壓的

4、增加，脈沖電壓減小。
　　在氣壓為4 mtorr時(shí)CrN涂層具有較高的硬度為18 GPa，平均粗糙度為5nm，隨著氣壓的增加，涂層的硬度和粗糙度等性能都相應(yīng)的變差，在氣壓為8 mtorr時(shí)CrN涂層的硬度為9.52 GPa粗糙度達(dá)到最大為23.7 nm。
　　脈沖電壓的改變對(duì)涂層的沉積速率影響較小，隨著脈沖電壓的增加，涂層均由單相CrN組成，衍射峰主要為(111)、(200)、(220)面，各特征峰的衍射峰變寬，峰位向大角度

5、偏移，晶格常數(shù)變小晶粒細(xì)化;在脈沖電壓為700 V時(shí)涂層的硬度為18.5 Gpa，粗糙度為4.65 nm，抗塑性變形能力最強(qiáng)，涂層的韌性較好。
　　隨著偏壓的增加CrN涂層的柱狀晶由粗到細(xì)，晶粒由粗到細(xì)，在-50 V時(shí)晶粒尺為18nm，硬度和彈性模量12 GPa和228 GPa，當(dāng)偏壓增加到-250 V時(shí)晶粒尺寸細(xì)化為7nm;硬度和彈性模量增加到18.7 GPa和286 GPa，隨后在偏壓為-300 V時(shí)其值略微降低;當(dāng)基體偏壓增