Cu含量對脈沖偏壓電弧離子鍍TiN-Cu納米復合薄膜硬度的影響

2013-09-15 魏科科大連理工大學三束材料改性教育部重點實驗室

　　用脈沖偏壓電弧離子鍍技術在高速鋼(HSS)基體上制備了一系列不同Cu 含量的TiN- Cu 納米復合薄膜，用EPMA、SEM、GIXRD 和納米壓痕等方法分別測試了薄膜的成分、形貌、相組成、硬度和彈性模量，重點考察薄膜成分對其硬度和彈性模量的影響。結果表明，Cu 含量對薄膜的硬度和彈性模量影響顯著，隨著Cu 含量的增加，薄膜硬度和彈性模量先增大后減小，在Cu 含量為1.28 at%時，硬度和彈性模量達到最大值，分別為45.0 GPa 和562.0 GPa。最后對TiN- Cu 納米復合薄膜的非晶- 納米晶強化機制進行了討論。

　　自20 世紀80 年代以來，以TiN 為代表的各類硬質薄膜材料及其制備技術得到了迅猛的發展，特別是在機械加工行業中得到了廣泛的應用。近年來，將納米技術引進硬質薄膜而使之具有大于40 GPa 硬度的超硬薄膜材料開發已經成為一種研究趨勢。1994 年Veprek 和Reiprich首先提出了納米復合薄膜的理論和設計思想，即將納米晶粒鑲嵌在非晶基體中形成納米復合薄膜。

　　隨后，捷克J. Musil等人提出由兩相納米晶納米復合的薄膜，即由過渡族金屬納米晶氮化物再添加少量的軟質金屬合成的納米復合薄膜，也將具有超硬性能。如今納米復合薄膜可以分為兩類：一類是nc-MeN/a- 硬質相納米復合材料，如：nc- TiN/a- Si3N4 和nc- TiN/a- TiB2 等; 而另一類為nc-MeN/ 軟質相Me*，其中Me* 為如Cu、Ni、Y 和Ag 等的軟質金屬。為形成上述兩相系統，兩種材料必須完全不互溶，即兩相的表面能均較高，在相圖中相互分離，而且納米晶相還需有一定結構柔性以產生共格應變，而非斷鍵，空洞或其他缺陷。

　　Ti- Cu- N 系薄膜作為第二類納米復合薄膜的典型代表，以其優異的超硬性能，引起了科研人員的廣泛關注。目前國內外研究人員已經采用多種方法進行了該薄膜的制備，主要包括：直流磁控濺射，低能離子束轟擊磁控濺射，非平衡磁控濺射和脈沖偏壓電弧離子鍍等，硬度可以達到40 GPa 左右。

　　其中脈沖偏壓電弧離子鍍具有離化率高、膜基結合力好等特點，特別是脈沖偏壓的使用已被證實能夠有效降低沉積溫度，提高形核率，增強原子活性，降低內應力，提高膜層的致密度和降低大顆粒數量、提高表面光潔度等。Zhao Y H 等人用脈沖偏壓電弧離子鍍制備了TiN- Cu 薄膜，并研究了大范圍改變偏壓幅值(- 100 V~- 900 V)對薄膜力學性能的影響，發現最好的薄膜硬度可達到31.5 GPa。本文同樣使用脈沖偏壓電弧離子鍍來制備TiN- Cu 薄膜，但注重成分對力學性能的影響，即在保持偏壓不變的條件下通過分離靶弧流控制技術來大范圍改變薄膜中Cu 的含量，重點考察Cu 含量對Ti- Cu- N 納米復合薄膜硬度和彈性模量的影響，并對薄膜的硬化機制進行討論。

1、實驗設備與方法

　　用自行設計的DHSP700 型增強過濾脈沖偏壓電弧離子鍍設備制備不同成分的Ti- Cu- N 薄膜，設備結構如圖1 所示。在兩個相對布置的陰極靶位上安裝陰極靶，左側安裝純Ti 靶(99.99at%)，右側安裝用粉末冶金法制備的Ti- Cu 合金靶，為了大范圍改變成分，右側靶材使用了兩種成分配比的Ti- Cu 合金靶(純度均為99.99at%)，一個為Ti70Cu30，另一個為Ti90Cu10。所用基體樣品為兩種，一種為20 mm×10 mm×5 mm 的HSS 高速鋼片，另一種為5 mm×10 mm×1 mm 的單晶Si 片，高速鋼樣品用來檢測力學性能，Si 片樣品用來檢測結構信息。樣品經超聲清洗后放置于真空室中。當設備真空度達到5×10^{- 3} Pa 以上時，通入氬氣，用高壓脈沖偏壓引發輝光進行Ar 離子濺射清洗，去除基體表面雜質和污染物。制備Ti- Cu- N 薄膜時，通入反應氣體氮氣，同時開啟Ti 靶和Ti- Cu 合金靶，通過更換Ti- Cu 合金靶材和大范圍改變弧流配比以獲得不同Cu 含量的Ti- Cu- N 薄膜。6 組實驗中腔室溫度始終保持200℃，使用脈沖偏壓為幅值×頻率×占空比=350 V×40 kHz×40%，氮氣流量恒定為60 sccm，沉積時間為60 min，保持膜的厚度一致，經檢測所有薄膜厚度大約均在0.8 μm~1.0 μm 范圍。具體的靶材和弧流參數如表1 所示。

DHSP700 型等離子體增強電弧離子鍍膜系統結構示意圖