TnN、CrN膜摻雜改性研究.pdf

1、TiN、CrN膜具有硬度高、耐磨、耐腐蝕及其他優(yōu)良性能，在刀具、工模具等已有了廣泛的應用。但隨著工業(yè)的發(fā)展，科學技術(shù)的進步，二元系TiN、CrN薄膜已無法滿足對其硬度和耐高溫性能的更苛刻的要求。因此有必要在二元系的基礎(chǔ)上加入其它合金元素(A1、Si、Cr、C、B等)進行摻雜改性，開發(fā)出具有更高硬度、強度，高耐磨而又具有較好韌性以及優(yōu)良抗氧化性能膜層。
　　 本文采用反應磁控濺射的方法，以氬氣為濺射氣體，氮氣為反應氣體，利用Ti-

2、Si、Ti-A1鑲嵌靶以及多靶磁控濺射鍍膜設(shè)備，制備一系列的Ti-Si-N、Ti-A1-N薄膜和CrN系薄膜，并運用EDS、XRD、XPS、AFM、納米壓入儀、劃痕儀和摩擦磨損儀等手段對Ti-Si-N、Ti-A1-N和Cr-A1-N、Cr-A1-Ti-N薄膜的表面形貌、組織結(jié)構(gòu)、力學性能以及其抗氧化性能進行了系統(tǒng)的研究。
　　 首先，本研究利用鑲嵌靶上不同部位不同材料的濺射率的差異，在單靶的磁控濺射鍍膜設(shè)備上通過調(diào)節(jié)氮氣分壓、基

3、體偏壓等濺射工藝參數(shù)，可方便地調(diào)整Ti-Si-N或Ti-A1-N膜中的Ti、Si或Ti、A1元素含量比、微觀組織結(jié)構(gòu)及力學性能。研究表明，隨著氮氣分壓的增大，Ti-Si-N、Ti-A1-N薄膜硬度及膜/基間結(jié)合力先增大后降低，過高的氮分壓不利于薄膜的生長及力學性能的提高；而隨著基體負偏壓的升高，可使膜層變得致密，有利于提高硬度、耐磨性以及與膜/基結(jié)合力，但是過高的偏壓，薄膜力學性能反而下降。
　　 根據(jù)XRD、XPS的分析結(jié)果表

4、明，經(jīng)摻雜改性后的Ti-Si-N膜中有NaC1型結(jié)構(gòu)的TiN相和非晶態(tài)的Si3N4相，Ti-A1-N膜中有NaC1型結(jié)構(gòu)的(Ti，A1)N相和非晶態(tài)A1N相。細晶強化、彌散強化和固溶強化作用是致使Ti-Si-N、Ti-A1-N薄膜具有很高硬度的主要原因。通過優(yōu)化反應濺射的工藝參數(shù)，本試驗中所制得的Ti-Si-N、Ti-A1-N薄膜最高硬度分別達到53 GPa和43.4GPa，即為原TiN膜硬度的2-2.5倍，均超過了40GPa的“超硬膜

5、”標準。
　　 然后，針對一種具有良好力學性能的TiN、Ti-A1-N薄膜進行了高溫氧化試驗。研究結(jié)果表明：TiN膜在600℃靜態(tài)空氣中其抗氧化性能已嚴重惡化。這是由于在600℃高溫下Ti與O發(fā)生氧化反應生成大量的Ti02金紅石結(jié)構(gòu)。由于立方相TiN轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗟慕鸺t石結(jié)構(gòu)Ti02時，體積縮小，產(chǎn)生裂紋并剝落，導致氧可以不斷地向內(nèi)擴散，從而使TiN膜的抗氧化性能嚴重惡化。添加A1元素對TiN膜基進行摻雜改性，可大大改善TiN基膜

6、的抗氧化性能。由于其表面富Al層存在，經(jīng)摻雜改性的Ti-A1-N膜在600-700℃靜態(tài)空氣中，在其表面可形成A1203、Ti02連續(xù)保護混合膜層，阻擋了O離子向內(nèi)擴散及A1離子、Ti離子向外擴散，避免了發(fā)生進一步氧化現(xiàn)象，保持其優(yōu)良的抗氧化性能。但在800℃條件下，氧化膜中微裂紋增多，局部脫落，為陰、陽離子的擴散提供了通道，導致薄膜氧化速度增加。
　　 最后，采用多靶磁控濺射鍍膜設(shè)備對CrN基膜進行摻雜改性，研究了添加A1、T

7、i合金元素對CrN基膜的組織結(jié)構(gòu)、力學性能及摩擦性能方面的影響。研究結(jié)果表明，CrN膜組織結(jié)構(gòu)由六方結(jié)構(gòu)的Cr2N和B1-NaC1結(jié)構(gòu)的CrN相組成。與TEN膜基的摻雜改性類似，隨著第三元素Al及第四元素Ti的加入，可大大地改善CrN膜基的力學性能。在所研究的多元CrN系薄膜組織結(jié)構(gòu)中，具有NaC1型結(jié)構(gòu)的(Cr, A1)S、(Cr, A1，Vi)N化合物以細晶態(tài)形式出現(xiàn)，摻雜的A1或AI、Ti合金元素則以置換、固溶形式存在。由于細晶、