磁控濺射CrAlN-TiAlN薄膜的微結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、近幾十年來，隨著高新技術(shù)的高速發(fā)展,對(duì)材料表面性能的要求愈來愈高。陶瓷納米薄膜由于其高硬度、耐高溫，耐磨減摩能力，涂層有望滿足這一要求，提高工模具的使用壽命,成為了新一代的表面硬質(zhì)涂層。工模具表面硬化涂層主要以TiN為主，各種技術(shù)制備TiN薄膜的研究有很多，并已投入進(jìn)了工業(yè)應(yīng)用，但是TiN的抗氧化溫度不高(5500C)，在特殊環(huán)境的使用過程中容易氧化失效。人們發(fā)現(xiàn)在TiN中添加其它元素(Cr，Al，C，Si等)多元化，或者進(jìn)行多層化(T

2、iN/NbN，TiN/CrN等)處理都可以有效改善涂層性能，目前針對(duì)TiN的研究一般集中在這兩個(gè)方向。 本文采用磁控反應(yīng)濺射法制備了CrN、TiN單層膜，TiAlN、CrAlN 復(fù)合薄膜及TiAlN/CrAlN多層膜。通過能譜儀(EDS)測(cè)試薄膜的成分，X射線衍射儀(XRD)表征涂層的微結(jié)構(gòu)及相組成，掃描電鏡(SEM)觀察涂層的表面形貌及厚度，顯微硬度儀測(cè)試了薄膜的硬度，研究了各種薄膜的微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和高溫抗氧化性。

3、首先采用直流(DC)濺射制備了一系列不同功率、不同N2流量的CrN薄膜。CrNx(DC)薄膜的沉積速率隨著N2流量的增加幾乎呈線性下降。CrNx薄膜有兩種相，hcp-Cr2N和fcc-CrN相。CrNx薄膜中的物相結(jié)構(gòu)隨N2流量連續(xù)變化，由Cr2N過渡到Cr2N與CrN混合相，最后為CrN單相；薄膜為單相的CrN時(shí)，呈（111）擇優(yōu)取向。CrNx薄膜為單相時(shí)呈現(xiàn)很高的硬度，薄膜為混和相時(shí)呈現(xiàn)了較低的硬度。CrN較Cr2N具有更好的高溫抗

4、氧化性，高溫抗氧化溫度為500oC～600oC。但直流制備CrN薄膜由于N2流量過大（≥8sccm），容易形成靶中毒，因而改用射頻濺射制備CrN薄膜。 其次制備了一系列不同功率、不同的CrN(RF)、TiN(DC)薄膜。研究結(jié)果表明在不同功率、不同氮流量下，CrN(RF)、TiN(DC)薄膜均為面心立方結(jié)構(gòu)，且具有晶面（111）擇優(yōu)取向。當(dāng)濺射功率為250W、Ar與N2流量為10：5時(shí)，CrN薄膜的顯微硬度HK為1443，高溫抗

5、氧化性溫度為500oC～600oC；當(dāng)濺射功率為200W、Ar與N2流量為10：5時(shí)，TiN薄膜的顯微硬度HK為1203，高溫抗氧化性溫度為500oC～600oC。 進(jìn)而制備一系列不同Al含量的TiAlN和CrAlN復(fù)合膜。結(jié)果表明，薄膜取CrN和TiN的面心立方結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，且呈(111)擇優(yōu)取向。隨著Al的增加，TiAlN和CrAlN復(fù)合膜的晶格常數(shù)均減?。槐∧さ挠捕染哂斜菴rN（或TiN）薄膜更高的硬度，且隨著Al含量增加，T

6、iAlN、CrAlN薄膜的硬度和高溫抗氧化性顯著提高。Al靶濺射功率為200W時(shí)，Al含量為36.44％，具有高的硬度HK為1992；在800℃仍較好的高溫穩(wěn)定性，在700℃時(shí)仍具有較高的硬度，具有高的紅硬性。Al靶濺射功率為200W時(shí)，Al含量為49.10％，具有高的硬度HK1757；在800℃仍較好的高溫穩(wěn)定性，在600℃時(shí)仍具有較高的硬度，具有較高的紅硬性。TiAlN和CrAlN復(fù)合膜 為了進(jìn)一步提高薄膜的性能，最后設(shè)計(jì)了C

7、rAlN/TiAlN多層膜新體系，制備一系列不同調(diào)制周期的CrAlN/TiAlN多層膜。多層膜呈現(xiàn)面心立方結(jié)構(gòu)共格生長(zhǎng)，且呈(111)擇優(yōu)取向；薄膜硬度在某一調(diào)制周期出現(xiàn)異常升高的超硬度效應(yīng)，最高硬度HK2549，而且CrAlN/TiAlN多層膜比CrAlN、TiAlN薄膜具有更好的抗氧化性。 陶瓷納米多層膜和復(fù)合硬質(zhì)薄膜涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫和耐磨損性能。因此，研究陶瓷納米多層膜和復(fù)合硬質(zhì)薄膜涂層具有十分重要的科學(xué)和經(jīng)