不同頻率濺射沉積的新型耐磨二硼化釩涂層的結構及性能

2015-07-25 陳春立西安建筑科技大學材料與礦資學院

　　采用不同的電源頻率沉積新型硬質耐磨VB2涂層。用X 射線衍射(XRD) 、掃描電鏡(SEM) 、原子力顯微鏡(AFM) 表征VB2涂層的結構；采用納米壓痕儀、劃痕儀、摩擦試驗機測試VB2涂層的力學性能和摩擦學性能。XRD 結果顯示，隨著頻率增加，VB2涂層衍射峰向小角度偏移，并成( 001) 面擇優取向。頻率的增加使得VB2涂層的結構從柱狀結構變為類似非晶的致密結構且表面顆粒和粗糙度變小。同時比較不同電源頻率下制備的VB2涂層在力學性能及摩擦性能上的差異。本實驗制備的VB2涂層硬度達到了43 GPa。VB2涂層的磨損率達到了7.8 × 10^-16m³ /N m( M2 鋼的300 多倍) 。磨損后形貌顯示，其磨道非常光滑，并出現只產生于輕微磨損的卷軸狀磨屑。

　　近些年，過渡金屬二硼化物的優異性能越來越受到人們的關注，例如良好的耐磨性、高硬度、優異的穩定性、抗腐蝕能力以及與大多數基底材料的良好結合性能。在過渡金屬二硼化物涂層中，TiB2、CrB2已經被研究過：Mayrhofer 等制備出了硬度大于60 GPa 的TiB2涂層，該涂層呈現納米柱狀結構。Berger 和Panich 等研究了TiB2在摩擦上的應用，但他們的磨損率均大于10^-16m³/N·m。Audronis 和Zhou 等對CrB2涂層的抗腐蝕、摩擦、力學性能及結構進行了細致的研究。VB2塊體與CrB2和TiB2塊體性能相近，而VB2作為耐磨涂層幾乎沒有科學文獻進行報道。

　　在磁控濺射制備涂層的各項電源設備中，中頻電源克服了射頻電源沉積速度慢，直流電源不便應用于絕緣靶材的缺點，而且中頻電源設備簡單，能夠防止靶中毒。近來還發現中頻電源能夠通過改變頻率來調整轟擊離子的能量，從而改變涂層的結構及性能。本文的主要目的就是選擇幾種不同頻率的電源制備VB2涂層，測試及比較不同頻率下制備出的新型VB2涂層的結構和性能。

　　1、實驗過程

　　1.1、涂層制備

　　采用雙靶磁控濺射系統制備VB2涂層。如圖1所示，該沉積系統主要有沉積室和進樣室兩部分組成。在沉積室中A、B 靶分別為Ti 靶(直徑100mm，純度99. 99%) 和VB2靶( 直徑100 mm，純度99.9%) ，其中Ti 靶作為沉積過渡層Ti 使用。過渡層Ti 的制備參數為中頻350 W、100 kHz、60% 占空比、0.6 Pa( Ar) 。采用中頻電源( Advanced EnergyPinnacle Plus + 5/5) 作為VB2靶的驅動電源，通過改變電源頻率制備不同結構的VB2涂層。電源功率為400 W；頻率分別為0( 相當于直流DC) ，100，150和250 kHz；占空比為70%。基片偏壓為- 30 V，沉積溫度為300℃。樣品臺自轉轉數為15 r /min。沉積腔室內的背底真空控制在5 ×10^-5Pa 以下，工作Ar 氣壓為0.3 Pa( 流量為24 mL /min) 。

　　本實驗采用三種不同基片: (100) 的Si 片，康寧鷹系列的玻璃片以及M2 工具鋼( 16 mm × 16 mm × 3 mm) 。在使用前，對這三種基片分別在丙酮、酒精以及去離子水中進行超聲清洗，并用氮氣吹干。

　　1.2、涂層表征

　　利用X 射線衍射(XRD，Bruker D8 Advance) 、場發射電子掃描顯微鏡(FESEM，日立的S4800) 和原子力顯微鏡(AFM，ASIT-NT Smart SPM) 對VB2涂層的微觀結構進行表征。其中XRD 采用θ-θ 模式，Cu 靶Kα 作為發射源。在室溫條件下，VB2涂層硬度的測量采用MTS-NANO G200 型( 壓頭為Berkovich) 納米壓痕儀。測前用燒結石英標樣進行校準。為了減少基底對涂層硬度測試的影響，設定壓入深度為涂層厚度的10%(約150 nm) 。通過Oliver-Pharr 方法分析加載卸載曲線得到硬度和彈性模量，其中在計算彈性模量時用的泊松比為0.18。涂層與基底的結合力采用CSM 公司型號為Revetest 的劃痕儀進行，壓頭為Rockwell 型，半徑為200 μm 的金剛石壓頭。測試時，力的加載速度為98 N/min，壓頭移動速度為6 mm/min。涂層的摩擦學性能測試采用CETR UMT-3 摩擦試驗機，模式為球盤往復。測試條件為室溫，濕度為65 ±7%。對偶球為直徑6 mm 的Al2O3球，加載為2 N。Al2O3球的往復滑行速度和頻率分別為5cm/s 和5 Hz。采用表面輪廓儀( KLA-Tencor Alpha-Step IQ) 獲得磨痕的深度分布；采用FEI QuantaFEG250型FESEM 進一步觀測磨痕形貌。

MS450 磁控濺射系統示意圖