劃痕法評(píng)價(jià)氮化鈦薄膜結(jié)合力研究.pdf

1、對(duì)于硬質(zhì)薄膜結(jié)合力的評(píng)價(jià)，劃痕法應(yīng)用最為廣泛，該方法是一次性加載，能簡(jiǎn)單快捷的表征硬質(zhì)薄膜的結(jié)合性能。然而，劃痕法測(cè)定膜/基結(jié)合力時(shí)，薄膜和基體的性質(zhì)、薄膜的厚度、壓頭的幾何尺寸、加載速率等許多非界面因素均對(duì)結(jié)合力的測(cè)定有較大的影響，這也是該方法應(yīng)用范圍受限的主要原因。為此，論文通過綜述半球型模型及有限元分析結(jié)果對(duì)壓頭作用下膜/基體系的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，結(jié)合硬質(zhì)薄膜失效形式，分析總結(jié)劃痕法膜/基體系常見失效形式及其失效機(jī)理。分析結(jié)果顯示

2、，不同薄膜或基體材料、薄膜厚度等因素造成的膜/基體系應(yīng)力應(yīng)變分布的差異以及膜/基本征結(jié)合力是造成不同膜/基體系劃痕失效形貌差異的主要原因。
　　利用非平衡磁控濺射在不銹鋼及鈦合金基體上成功制備出Ti、TiN單層薄膜以及Ti/TiN多層薄膜，并對(duì)制得的多種膜/基體系進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn)。劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于Ti膜等自身剪切強(qiáng)度低于膜/基界面結(jié)合強(qiáng)度的薄膜，利用劃痕法評(píng)價(jià)其膜/基結(jié)合力并無實(shí)際意義。不同基體及不同厚度TiN薄膜的膜/基體系劃

3、痕實(shí)驗(yàn)可看出薄膜內(nèi)應(yīng)力以及基體材料性質(zhì)對(duì)劃痕失效形貌及臨界載荷的判定影響較大。對(duì)于Ti/TiN多層薄膜，因極低的內(nèi)應(yīng)力、出色的膜/基承載能力以及Ti層的應(yīng)力應(yīng)變吸收作用，劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其與基體具有良好的結(jié)合性能。
　　針對(duì)劃痕實(shí)驗(yàn)過程中非界面因素對(duì)膜/基界面結(jié)合的定性評(píng)價(jià)的影響，論文根據(jù)劃痕法膜/基應(yīng)力應(yīng)變分布及膜/基失效形貌的研究結(jié)果，提出并嘗試用低載荷多周次往復(fù)滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)定性分析膜/基結(jié)合力。所謂低載荷往復(fù)滑動(dòng)磨損，即在膜

4、/基體系彈性應(yīng)變范圍內(nèi)的膜/基體系定載荷往復(fù)滑動(dòng)磨損。利用對(duì)磨副在薄膜表面切向往復(fù)滑動(dòng)時(shí)在膜/基界面處產(chǎn)生的剪切應(yīng)力幅作為膜/基剝離應(yīng)力，以薄膜剝落現(xiàn)象作為定性分析膜/基結(jié)合性能的依據(jù)。論文對(duì)17-4PH及TC4基TiN薄膜進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn)和低載荷往復(fù)滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果與低載荷往復(fù)滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的相似性：TiN薄膜內(nèi)較大的內(nèi)應(yīng)力對(duì)其與17-4PH不銹鋼基體間的結(jié)合影響較大，劃痕實(shí)驗(yàn)及低載荷往復(fù)磨損實(shí)驗(yàn)均出現(xiàn)應(yīng)力釋