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PVD法制备TiN系多元膜的组织与性能研究

PVD法制备TiN系多元膜的组织与性能研究

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作者：郭力铭长春工业大学

学位级别：硕士

利用物理气相沉积技术中的空心阴极辅助多弧离子镀方法,通过在Ti靶中分别加入Al、Si元素,在WMoCrV高速钢基体上分别沉积了Ti-Si-N和Ti-Al-N膜层。利用X射线衍射仪、扫描电镜、能量谱仪和透射电镜分别对膜层的物相结构及元素组成进行了表... 详细信息

利用物理气相沉积技术中的空心阴极辅助多弧离子镀方法,通过在Ti靶中分别加入Al、Si元素,在WMoCrV高速钢基体上分别沉积了Ti-Si-N和Ti-Al-N膜层。利用X射线衍射仪、扫描电镜、能量谱仪和透射电镜分别对膜层的物相结构及元素组成进行了表征;在激光共聚焦显微镜下对膜层表面粗糙度进行了测定;以材料表面微纳米力学测试系统对膜层的硬度、弹性模量、摩擦系数及膜-基结合力等进行了检测。对不同沉积方法的特性、膜层的沉积机理以及靶材比例对膜层相组成、质量与性能的影响进行了分析研究:结果表明:空心阴极辅助沉积可以对基体材料表面进行溅射清洗,使表面更加清洁,由此带来系统温度的提高还利于膜层沉积和质量的改善。相比于多弧离子镀技术,辅助沉积可有效减少膜层表面“大颗粒”的数目,改善膜层表面质量,降低膜层表面粗糙度,提高膜层与基体的结合力。通过对膜层物相和热力学数据分析,在Ti-Si-N膜层中,组成相为TiN与SiN两相,而并非TiSiN三元相。同时,由于Si具有结构稳定、不易电离的特性,膜层中SiN的含量随靶材中Si含量的增加有先增后减的现象;当靶材含Si量为15%时,膜层中Si含量达到峰值,此时膜层性能优异,检测膜-基结合力为43.5N,表面粗糙度为0.476μm,摩擦系数为0.76,硬度与弹性模量分别为34.8GPa与333.2GPa。而在Ti-Al-N三元体系中,Al溶入TiN点阵后形成置换式固溶体,生成TiAlN三元相,膜层硬度值为44.0GPa,表面粗糙度为0.888μm,摩擦系数为0.73,膜-基结合力33.5N。其以择优取向方式生长形成柱状晶,固溶强化的结果具有高硬度,点阵畸变形成较大应力,即使预镀过渡层TiN后膜-基结合力也低于Ti-Si-N的膜-基结合力;而Ti-Si-N膜层因SiN的形成细化了TiN显微组织,细晶强化的同时改善了晶体生长时的择优取向,使膜层有低的表面粗糙度,且不用预沉积TiN过渡层便具有良好的膜-基结合力,这一结果将为简化工艺流程以及发展无预镀底层的高结合力膜层提供了理论支撑。同时,相比于Ti-Al-N与TiN膜层,Ti-Si-N三元体系中有自润滑性的SiN,其润湿角可达83.96°,膜层抗粘附性更优异,若作为刀具表面涂层使用可显著改善切削过程中的“粘刀”现象。

关键词：氮铝钛氮硅钛物理气相沉积膜-基结合力组成相

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