超硬納米復(fù)合膜致硬機(jī)理的研究.pdf

1、超硬納米復(fù)合膜一般指顯微硬度HV≥40GPa的納米膜,它不具有單層膜的連續(xù)柱狀晶結(jié)構(gòu),對(duì)硬質(zhì)膜性能的改善相當(dāng)明顯,具有廣泛的應(yīng)用前景。因此,超硬納米復(fù)合膜的制備已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在納米復(fù)合膜的制備模式中,一般都采用磁控濺射的方法,以獲得納米氮化物+化合物(TiN/Si3N4,TiN/NV,TiN/NbN,TiC/TiB2等)或納米氮化物+金屬,即nc-MeN/M(nc為納米晶,Me為Ti、Zr、V、Nb,M為Cu、Ni、Y、Ag、C

2、o等)超硬納米復(fù)合薄膜。采用在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的多弧離子鍍技術(shù),制備成功nc-MeN/M超硬納米復(fù)合膜的研究卻鮮有報(bào)道。 本文采用多弧離子鍍技術(shù),以工業(yè)純Cu和工業(yè)純Ti為靶材,通過調(diào)整Cu靶間歇開啟的間隔時(shí)間和Cu靶燃弧時(shí)間和樣品與靶的相對(duì)位置,進(jìn)行了TiN/Cu超硬納米復(fù)合多層膜制備,同時(shí)還制備了TiN-Cu共沉積復(fù)合膜。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、X射線能譜儀(EDS)、納米壓痕儀等方法對(duì)復(fù)合膜的

3、斷口形貌、相組成、成分、擇優(yōu)取向、顯微硬度等方面進(jìn)行了深入的研究,并初步探討了其致硬機(jī)理。 研究結(jié)果顯示,采用多弧離子鍍技術(shù)可以制備出硬度高達(dá)51GPa的TiN/Cu超硬納米復(fù)合多層膜。TiN/Cu納米復(fù)合多層膜呈均勻的層狀分布,層與層之間有明顯的界限,每單層膜的組織結(jié)構(gòu)為非常細(xì)小的柱狀晶,且單層膜的厚度隨鍍膜工藝參數(shù)的不同而不同。復(fù)合多層膜硬度普遍較純TiN膜高出50％～150％,這是由Cu元素含量、Cu靶間歇開啟方案、膜層擇

4、優(yōu)取向等多個(gè)因素共同決定的。 在其它工藝條件不變的情況下,Cu靶開啟的間隔時(shí)間及Cu靶燃弧時(shí)間對(duì)復(fù)合多層膜硬度有著顯著的影響。復(fù)合多層膜硬度隨著Cu靶開啟的間隔時(shí)間、燃弧時(shí)間的增大,均呈現(xiàn)先增大后減小的基本趨勢(shì)。一般來說,當(dāng)Cu靶燃弧時(shí)間為10s或15s,Cu靶開啟的間隔時(shí)間為2～3min且單層膜厚度在119～286nm之間時(shí),復(fù)合多層膜易獲最高硬度；間隔3min開啟Cu靶10s時(shí),復(fù)合多層膜獲得超高硬度(>40GPa)。因此,

5、當(dāng)Cu靶開啟的間隔時(shí)間及燃弧時(shí)間達(dá)到一個(gè)最佳范圍時(shí),復(fù)合多層膜容易獲得較高的硬度。 在復(fù)合多層膜的XRD圖譜上,TiN衍射峰明顯變寬,說明晶粒尺寸可能很小。采用Scherrer公式計(jì)算出TiN相的(111)和(200)晶面的晶粒尺寸普遍<20nm,(220)等晶面對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸普遍<10nm,形成了TiN納米晶,從而產(chǎn)生晶粒細(xì)化致硬的效果。 Cu的摻入影響了純TiN的柱狀生長,使其不再以單一的(111)面優(yōu)先生長,而是轉(zhuǎn)向(20

6、0)等晶面優(yōu)先生長、無明顯擇優(yōu)取向或以(111)、(200)兩個(gè)晶面擇優(yōu)生長的趨勢(shì)。當(dāng)復(fù)合多層膜以(220)晶面擇優(yōu)取向時(shí),硬度值不高,一般為20～30GPa;當(dāng)膜層主要以(111)或(200)單一晶面擇優(yōu)取向時(shí),硬度值較高,達(dá)到了30GPa以上；而當(dāng)膜層以(111)和(200)兩個(gè)晶面同時(shí)擇優(yōu)取向時(shí),膜層獲得超高硬度。 另外,采用與制備復(fù)合多層膜基本相同的工藝參數(shù),鍍制了TiN-Cu共沉積復(fù)合膜,并對(duì)其性能進(jìn)行初步研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)