超硬納米復合膜致硬機理的研究.pdf

1、超硬納米復合膜一般指顯微硬度HV≥40GPa的納米膜,它不具有單層膜的連續(xù)柱狀晶結構,對硬質膜性能的改善相當明顯,具有廣泛的應用前景。因此,超硬納米復合膜的制備已成為人們關注的焦點。在納米復合膜的制備模式中,一般都采用磁控濺射的方法,以獲得納米氮化物+化合物(TiN/Si3N4,TiN/NV,TiN/NbN,TiC/TiB2等)或納米氮化物+金屬,即nc-MeN/M(nc為納米晶,Me為Ti、Zr、V、Nb,M為Cu、Ni、Y、Ag、C

2、o等)超硬納米復合薄膜。采用在工業(yè)生產中應用最為廣泛的多弧離子鍍技術,制備成功nc-MeN/M超硬納米復合膜的研究卻鮮有報道。 本文采用多弧離子鍍技術,以工業(yè)純Cu和工業(yè)純Ti為靶材,通過調整Cu靶間歇開啟的間隔時間和Cu靶燃弧時間和樣品與靶的相對位置,進行了TiN/Cu超硬納米復合多層膜制備,同時還制備了TiN-Cu共沉積復合膜。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、X射線能譜儀(EDS)、納米壓痕儀等方法對復合膜的

3、斷口形貌、相組成、成分、擇優(yōu)取向、顯微硬度等方面進行了深入的研究,并初步探討了其致硬機理。 研究結果顯示,采用多弧離子鍍技術可以制備出硬度高達51GPa的TiN/Cu超硬納米復合多層膜。TiN/Cu納米復合多層膜呈均勻的層狀分布,層與層之間有明顯的界限,每單層膜的組織結構為非常細小的柱狀晶,且單層膜的厚度隨鍍膜工藝參數的不同而不同。復合多層膜硬度普遍較純TiN膜高出50％～150％,這是由Cu元素含量、Cu靶間歇開啟方案、膜層擇

4、優(yōu)取向等多個因素共同決定的。 在其它工藝條件不變的情況下,Cu靶開啟的間隔時間及Cu靶燃弧時間對復合多層膜硬度有著顯著的影響。復合多層膜硬度隨著Cu靶開啟的間隔時間、燃弧時間的增大,均呈現先增大后減小的基本趨勢。一般來說,當Cu靶燃弧時間為10s或15s,Cu靶開啟的間隔時間為2～3min且單層膜厚度在119～286nm之間時,復合多層膜易獲最高硬度；間隔3min開啟Cu靶10s時,復合多層膜獲得超高硬度(>40GPa)。因此,

5、當Cu靶開啟的間隔時間及燃弧時間達到一個最佳范圍時,復合多層膜容易獲得較高的硬度。 在復合多層膜的XRD圖譜上,TiN衍射峰明顯變寬,說明晶粒尺寸可能很小。采用Scherrer公式計算出TiN相的(111)和(200)晶面的晶粒尺寸普遍<20nm,(220)等晶面對應的晶粒尺寸普遍<10nm,形成了TiN納米晶,從而產生晶粒細化致硬的效果。 Cu的摻入影響了純TiN的柱狀生長,使其不再以單一的(111)面優(yōu)先生長,而是轉向(20

6、0)等晶面優(yōu)先生長、無明顯擇優(yōu)取向或以(111)、(200)兩個晶面擇優(yōu)生長的趨勢。當復合多層膜以(220)晶面擇優(yōu)取向時,硬度值不高,一般為20～30GPa;當膜層主要以(111)或(200)單一晶面擇優(yōu)取向時,硬度值較高,達到了30GPa以上；而當膜層以(111)和(200)兩個晶面同時擇優(yōu)取向時,膜層獲得超高硬度。 另外,采用與制備復合多層膜基本相同的工藝參數,鍍制了TiN-Cu共沉積復合膜,并對其性能進行初步研究。實驗結