多弧離子鍍納米復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、多弧離子鍍技術(shù)是先進的表面工程技術(shù)之一。納米復(fù)合膜是當(dāng)前表面工程領(lǐng)域的發(fā)展前沿。工模具表面硬化涂層主要以TiN為主，并已投入了應(yīng)用。但是純TiN涂層的硬度僅為2200HV，在某些情況下還不能滿足人們的需要。實踐證明，若在TiN涂層中加入Cu(Ni)元素，使薄膜形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，會使薄膜硬度有很大的提高，其本征硬度可超過4500HV。 本論文首先介紹了納米復(fù)合涂層的制備過程，而后討論了影響納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)和性能的因素，主要包括弧靶

2、燃弧方式、氮氣分壓、基體負偏壓、沉積溫度及試樣位置等參數(shù)。對在不同工藝參數(shù)下制備的納米復(fù)合涂層進行了一系列的檢測及結(jié)果分析，包括斷口形貌、膜層結(jié)構(gòu)及成分、晶粒尺寸、薄膜硬度、薄膜厚度等方面，并對薄膜的致硬機理做了進一步的探討。 本文中間部分主要討論了Ti-Cu-N(Ti-Ni-N)薄膜的制備，即納米晶結(jié)構(gòu)的獲得方法，而后對影響其結(jié)構(gòu)和性能的因素進行了討論。對于Ti-Cu-N薄膜而言，從斷口形貌照片可以看出，連續(xù)燃弧和間斷性燃弧都

3、能夠獲得納米結(jié)構(gòu)的晶粒，連續(xù)燃弧方式下制備的Ti-Cu-N薄膜斷口較為平整，呈現(xiàn)出類似于金屬和陶瓷材料在普通晶粒度下脆性斷裂時表現(xiàn)出來的宏觀“磁狀斷口”特征。經(jīng)分析可斷定該復(fù)合膜晶粒尺寸已達到納米級的水平。而用間斷燃弧方式得到的Ti-Cu-N及Ti-Ni-N薄膜其斷口相貌呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，且晶粒也已達到納米級水平。表明Cu(Ni)的加入有利于晶粒的細化和納米晶結(jié)構(gòu)的形成。Cu(Ni)的加入，使TiN(111)和(200)均出現(xiàn)擇優(yōu)取

4、向，且兩個衍射峰的強度幾乎相等，衍射峰發(fā)生了明顯的寬化，導(dǎo)致了晶粒的細化和薄膜硬度的升高。Ti-Cu-N薄膜的厚度取決于基體偏壓；Ti-Ni-N薄膜的衍射峰出現(xiàn)(200)的擇優(yōu)取向，衍射峰強度和寬度會隨基體偏壓及沉積溫度的變化而變化，這兩個參數(shù)都是導(dǎo)致晶粒細化的主要因素。薄膜的硬度測定值實際上反映的薄膜的復(fù)合硬度，其硬度值受基體的影響，而薄膜的本征硬度值可由J-H模型推算。該膜層的表面形貌主要與氮氣分壓和負偏壓有關(guān)，隨著N<,2>分壓的

5、增加及基體負偏壓的增加，薄膜表面液滴數(shù)量明顯減少，尺寸明顯變小。 本文最后部分主要討論了導(dǎo)致Ti-Cu-N和Ti-Ni-N納米復(fù)合膜超硬性的原因。首先這種涂層的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其超硬性。Cu元素和Ni元素都不與Ti、N<,2>發(fā)生反應(yīng)，只作為添加項分布在TiN相周圍，有效地防止了應(yīng)力作用下過渡金屬氮化物薄膜晶間因裂紋擴展而導(dǎo)致的薄膜失效。細小的晶粒尺寸也是導(dǎo)致薄膜超硬性的一個原因。由TiN/Cu和TiN/Ni的X射線衍射圖譜可