鎂、鋁合金表面碳及氮化物鍍層的制備及其界面結(jié)合機制研究.pdf

1、針對鎂、鋁等高活性金屬表面所制備碳基減摩鍍層結(jié)合性差的弱點，使用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)，通過改變鍍層結(jié)構(gòu)和沉積參數(shù)，由基體表面離子清洗、金屬(Me)中間層、Me/C過渡層和工作層金屬素摻雜等涂層制備過程探討了獲得具有高結(jié)合性能的梯度碳基鍍層的途徑;使用TEM和XPS等分析測試方法表征了膜基界面微觀結(jié)構(gòu)和界面成分的變化規(guī)律，分析了離子清洗的作用機理并確立出了最佳離子清洗工藝;研究了以Cr為中間層的GLC梯度鍍層界面結(jié)構(gòu)隨基片偏壓的

2、演變過程;通過對膜基、層間界面微觀結(jié)構(gòu)的分析，研究了金屬中間層與基體的相互作用機制和金屬摻雜對碳基鍍層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的影響，研究結(jié)果表明:
　　(1)鎂、鋁基體對離子轟擊的承受能力具有較大的差異性;300V/20min和400V/30min分別為鎂、鋁基體的最佳離子清洗工藝，300V/20min離子清洗的鎂基體具有最高的臨界載荷，其膜基界面殘留一層僅有幾納米厚的致密非晶氧化物層，這對于提高膜基結(jié)合具有重要作用;400V/30min

3、離子清洗的鎂基體氧化物污染層被完全清除，形成了Mg/Cr直接接觸界面，強化了結(jié)合，然而由于高能離子轟擊所致的高生長應(yīng)力和熱應(yīng)力，致使膜基結(jié)合強度不但沒有提高，反而明顯減小;400V/30min離子清洗的鋁基體表面氧化物污染層被完全清除，形成了Al/Cr直接接觸界面，此工藝下的膜基結(jié)合強度最高。
　　(2)基體負偏壓對以Cr為中間層的GLC梯度鍍層的微觀結(jié)構(gòu)具有明顯的調(diào)控作用;偏壓促使Cr中間層與Cr/C過渡層的非晶界面區(qū)中出現(xiàn)了C

4、r的結(jié)晶，Cr晶粒的尺寸和生長方向隨偏壓的增大而變化;偏壓促使Cr/C過渡層和GLC層界面區(qū)中出現(xiàn)了非晶碳和富Cr粒子的分離。偏壓提高了Cr/C過渡層和GLC層的致密性，在偏壓為95V時，GLC層的部分非晶碳出現(xiàn)了石墨化。-65V偏壓下沉積的GLC鍍層具有最好的力學(xué)性能和最低的內(nèi)應(yīng)力。
　　(3)金屬中間層與鎂、鋁基體間形成了三種界面形式，以Al作為中間層時，在Al中間層與鎂基體之間新生成了Al12Mg17和Al3Mg2金屬間化合

5、物層，而Al中間層與鋁基體之間則形成了外延式生長;以Cr、Zr、W作為中間層時，與鎂、鋁基體之間的界面結(jié)構(gòu)特征都是由離子轟擊引起的物理混合界面;外延式界面和化合物界面賦予了鍍層更高的膜基結(jié)合強度，在物理混合界面下，鍍層的結(jié)合強度主要受鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響;與鋁基體相比較，鎂基體上鍍層的結(jié)合強度更易受到鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響。
　　(4)Me/C過渡層的結(jié)構(gòu)對鍍層整體結(jié)構(gòu)具有重要影響，Cr/C和Zr/C過渡層形成了非晶團簇結(jié)構(gòu)，W/C過渡層形

6、成了W/非晶碳的納米多層結(jié)構(gòu)，而Al/C過渡層則形成了由Al晶粒、Al4C3相和非晶碳組成的復(fù)合結(jié)構(gòu);Cr/C、Zr/C和W/C過渡層能夠阻擋工作層中的碳向金屬中間層的擴散，而Al/C過渡層則不能，擴散到Al中間層的碳與Al反應(yīng)生成了Al4C3相。
　　(5)在金屬摻雜GLC鍍層中，當(dāng)石墨靶電流IC為1.5A、金屬靶電流IMe為0.2A時，金屬原子Cr、Al、Zr、W所占的原子百分比分別為3.0、1.43、0.97和9.52at％