離子束輔助沉積納米氮化物超硬薄膜的微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究.pdf

1、本論文用離子束輔助真空電弧制備了nc-TiN和nc-ZrN薄膜、nc-TiN/CNx復(fù)合薄膜、nc-TiN/Cu和（nc-Ti，W）N/Cu多層薄膜。用X-射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡電鏡（SEM）、高分辨透射電鏡（HRTEM）、X-射線光電子能譜儀（XPS）、納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、顯微硬度計(jì)、劃痕儀和表面性能測(cè)試儀等設(shè)備對(duì)制備的試樣進(jìn)行測(cè)試分析。研究了離子束對(duì)Ti薄膜、Zr薄膜的靜態(tài)轟擊作用和nc-TiN和nc-ZrN薄膜的動(dòng)態(tài)混

2、合；分析了單層nc-TiN和nc-ZrN薄膜的微結(jié)構(gòu)和超硬效應(yīng)，提出了同質(zhì)納米晶/非晶復(fù)合超硬薄膜結(jié)構(gòu)模型；研究用鈦／石墨靶和甲烷／氮?dú)獠煌荚丛陔x子束輔助條件下，用真空電弧沉積的方法制備nc-TiN/CNx薄膜和離子束輔助沉積對(duì)其微結(jié)構(gòu)和超硬效應(yīng)的影響；研究了用離子束輔助真空電弧沉積對(duì)nc-TiN/Cu、nc-（Ti，W）N/Cu多層薄膜組織與顯微硬度、膜層／基體結(jié)合力和耐磨耐性能影響，并用模量差模型解對(duì)納米多層膜的增硬效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。

3、研究結(jié)果表明： 1．低能氮離子束對(duì)Ti膜和Zr膜進(jìn)行離子轟擊作用時(shí)在Ti膜中有Ti2N相形成，而在Zr膜中則形成ZrN，并且離子束的轟擊作用還導(dǎo)致Ti膜和Zr膜顯微硬度增加。 2．低能離子束對(duì)真空電弧輔助沉積Ti-N薄膜過(guò)程中，隨低能離子束能量的增大，沉積膜層中Ti2N相增多，并在（002）晶面出現(xiàn)擇優(yōu)取向。低束流，中等強(qiáng)度的加速電壓對(duì)Ti-N薄膜具有明顯的硬化效應(yīng)，氮離子束加速電壓為3500V，束流為80 mA輔助沉積

4、時(shí)，薄膜的硬度達(dá)到3856HV0．025。 3．高分辨率透射電鏡觀察分析表明nc-ZrN薄膜的晶界主要由有序-無(wú)序界面構(gòu)成，在晶內(nèi)呈有序ZrN納米晶粒，平均尺寸為6．5 nm，無(wú)離子束輔助沉積的ZrN晶粒平均尺寸為9nm。而晶界上為一定厚度的無(wú)序結(jié)構(gòu)相，平均厚度為1nm，而無(wú)離子束輔助的無(wú)序網(wǎng)的厚度為1．5 nm。在nc-ZrN薄膜中存在相當(dāng)多數(shù)量的三叉晶界，體積分?jǐn)?shù)約為37．23%。在三叉晶周圍主要由多重共格晶界構(gòu)成，此外，在

5、nc-ZrN晶內(nèi)存在著一定數(shù)量的位錯(cuò)，層錯(cuò)，晶粒彎曲等缺陷。提出了同質(zhì)納米晶／非晶復(fù)合超硬薄膜結(jié)構(gòu)模型，納米晶本身具有比較高的硬度和模量，納米晶的尺寸小于10 nm，納米晶被同質(zhì)非晶包圍形成無(wú)序晶界結(jié)構(gòu)，無(wú)序網(wǎng)的厚度比較薄，約為1nm。此外在納米晶之間也存在錯(cuò)配度較低的多重共格晶界。用納米力學(xué)探針壓入法測(cè)試nc-ZrN薄膜的硬度均比較高，其平均范圍在60～85 GPa，同時(shí)也表現(xiàn)出較高的彈性模量和彈性恢復(fù)值。離子束流為150 mA，加速

6、電壓為3500V的離子束輔助制備的試樣納米壓入硬度高達(dá)81．23 GPa。 4．以石墨靶作為碳源，氮?dú)庾鳛榈?，用真空電弧沉積的方法制備了CNx薄膜，用XRD和XPS分析表明，薄膜中C、N兩種原子之間形成了N-sp3C和N-sp2C兩種方式的成鍵，這說(shuō)明膜層中有C-N化合物存在。用CH4：N2=1：4的離子束混合法在單晶Si（100）片上制備的薄膜用XRD和XPS分析表明有C-N鍵和C=N鍵類型的CNx化合物存在。 5．

7、用鈦／石墨復(fù)合靶粒子束輔助真空電弧沉積TiN/CNx薄膜，XPS分析表明，增加氮?dú)鈮毫τ兄谀又蠳-sp2增多，同時(shí)C原子間以sp3鍵相結(jié)合的原子所占比列有所減少。0．41Pa條件下沉積的TiN/CNx薄膜平均硬度為68．3GPa，彈性恢復(fù)值達(dá)到87%。 6．用CH4和N2混合氣體進(jìn)行離子束輔助真空電弧沉積TiN/CNx薄膜，XRD分析表明，薄膜主要為TiN相，并且在TiN（111）出現(xiàn)擇優(yōu)取向；XPS分析表明，薄膜中含有CN

8、x相。用納米硬度壓入儀測(cè)試結(jié)果表明薄膜具有很高的硬度值，測(cè)試硬度達(dá)到85．11 GPa，彈性恢復(fù)值達(dá)到90．3%． 7．用Ti/G復(fù)合靶和CH4/N2制備的TiN/CNx具有相似的微結(jié)構(gòu)，透射電鏡觀察表明該結(jié)構(gòu)為nc-TiN/a-TiN/a（nc）-CNx復(fù)合結(jié)構(gòu)模型，其中納米晶TiN尺寸為10 nm以下，周圍主要為同質(zhì)非晶a-TiN晶界，寬度小于1nm，a-CNx或nc-CNx晶分布在nc-TiN晶角落，對(duì)TiN的生長(zhǎng)起到釘扎

9、作用，可以有效地穩(wěn)定TiN晶粒尺寸。在納米TiN晶粒內(nèi)還存在少量的位錯(cuò)、層錯(cuò)、空洞和孿晶等缺陷。 8．研究表明離子束輔助沉積TiN/Cu和（Ti，W）N/Cu納米多層膜中離子束改變了TiN擇優(yōu)取向。掃描電鏡觀測(cè)表明離子束輔助沉積TiN/Cu納米多層膜中各層界面清晰，但無(wú)離子束輔助沉積TiN/Cu納米多層膜中出現(xiàn)了TiN晶粒軸向生長(zhǎng)穿越幾個(gè)調(diào)制周期的現(xiàn)象，這說(shuō)明離子束輔助沉積有助于抑制TiN晶粒軸向柱狀生長(zhǎng)。離子束輔助沉積TiN/