脈沖偏壓對TiAlCN薄膜結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響
發(fā)布時間：2021-09-12 10:37
利用多弧離子鍍-磁控濺射復(fù)合技術(shù)通過改變脈沖偏壓在Si片與SS304基體表面制備了TiAlCN薄膜,研究了不同脈沖偏壓對薄膜結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。薄膜成分、表面形貌、相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能分別利用能量彌散X射線譜（EDS）、掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和納米壓痕儀等設(shè)備進(jìn)行表征。結(jié)果表明,隨著脈沖負(fù)偏壓的增加,薄膜中Ti元素的含量先減小后增大,而Al元素有相反的變化趨勢。適當(dāng)增大脈沖偏壓,薄膜表面顆粒、凹坑等缺陷得到明顯改善。物相分析表明TiAlCN薄膜主要由（Ti,Al）（C,N）相,Ti4N3-x相和Ti3Al相組成。薄膜平均硬度與彈性模量隨脈沖負(fù)偏壓的增加先增大后減小,在負(fù)偏壓-200 V時達(dá)到最大值分別為36.8 GPa和410 GPa。
【文章來源】：材料熱處理學(xué)報. 2020,41(03)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
不同脈沖負(fù)偏壓下TiAlCN薄膜的各元素含量
圖2為不同脈沖負(fù)偏壓下TiAlCN薄膜的SEM表面形貌。從圖2可以看出,不同偏壓下制備的TiAlCN薄膜表面質(zhì)量較好,同時表面或多或少存在著一些尺寸在幾微米的不規(guī)則的凹坑和顆粒等缺陷,這是復(fù)合離子鍍膜工藝中常見的缺陷[15]。在鍍膜過程中,鈦靶和鋁靶在蒸發(fā)過程中會噴射出來一些小液滴,這些小液滴在通過等離子區(qū)時會與電子發(fā)生項目碰撞而帶負(fù)電。當(dāng)脈沖負(fù)偏壓較小時,帶負(fù)電的小液滴受到電場的排斥力比較小,小液滴容易沉積到基體上,大顆粒的形成就是這樣小液滴聚集的結(jié)果;顆粒與薄膜之間由于存在熱膨脹系數(shù)的差異,容易造成顆粒從薄膜表面脫落而形成凹坑[16]。當(dāng)基體未加脈沖負(fù)偏壓時,如圖2(a)所示薄膜表面顆粒尺寸比較大、數(shù)量比較多;當(dāng)施加脈沖負(fù)偏壓時,如圖2(a)和2(b)所示薄膜表面顆粒數(shù)量明顯減少,尺寸也變小,表面質(zhì)量得到明顯改善,表明脈沖負(fù)偏壓的施加對薄膜起到明顯凈化作用。在偏壓幅值為-200 V時,薄膜表面顆粒和凹坑的數(shù)量最少、尺寸最小,表面質(zhì)量最好。當(dāng)脈沖負(fù)偏壓超過-200 V時,一些尺寸較大的針孔和凹坑在表面出現(xiàn),這可能是具有更高能量的離子轟擊基體表面,造成沉積在表面的顆粒脫落而形成,也可能是高能量的離子直接轟擊薄膜造成表面損傷的結(jié)果。
圖3為不同脈沖負(fù)偏壓下TiAlCN薄膜的XRD圖譜。從XRD圖譜可知,TiAlCN薄膜的物相主要由面心立方結(jié)構(gòu)的(Ti,Al)(C,N)相、Ti4N3-x相和Ti3Al相組成,還有少量的Ti2N相和α-Al相,其中(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面屬于(Ti,Al)(C,N)相的特征衍射峰。從(Ti,Al)(C,N)相的衍射圖譜可以看出,當(dāng)未施加脈沖電壓時,薄膜出現(xiàn)(200)晶面擇優(yōu)生長,這是因為在低應(yīng)力情況下薄膜沿著表面能最小的(200)晶面生長;當(dāng)脈沖偏壓在-100～-200 V之間,隨著偏壓的增大,膜層內(nèi)應(yīng)力提高,薄膜出現(xiàn)了(200)晶面向(111)晶面擇優(yōu)生長的轉(zhuǎn)變,但是當(dāng)偏壓增加到-300 V時,膜層內(nèi)應(yīng)力又有所降低,(200)晶面衍射強(qiáng)度又有少許增加。薄膜中的Ti4N3-x相通常被稱為MXene化合物,這類具有層狀結(jié)構(gòu)的三元碳化物/氮化物陶瓷兼具金屬和陶瓷的優(yōu)良性能,如較高的彈性模量、高屈服強(qiáng)度和剪切模量、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能。Ti3Al相是一種典型的金屬間化合物,具有高比強(qiáng)度、彈性模量和優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性。Ti4N3-x相和Ti3Al相的存在對薄膜性能將起到很大的改善作用。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]復(fù)合離子鍍TiCN薄膜的結(jié)構(gòu)與耐蝕性[J]. 任鑫,趙瑞山,黃美東,孔令梅,玄茲航. 材料保護(hù). 2016(08)
[2]C含量對電弧離子鍍TiAlCxN1-x（x=0,0.18,0.41,0.49,0.69）薄膜性能的影響[J]. 楊立軍,張澤輝,李林,張勇. 稀有金屬材料與工程. 2015(06)
[3]磁控濺射制備TiCN復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)與性能[J]. 許俊華,曹峻,喻利花. 中國有色金屬學(xué)報. 2012(11)
[4]TiAlN涂層高速鋼刀具的制備及鉆削性能研究[J]. 莫繼良,任元,朱旻昊. 中國表面工程. 2010(02)
[5]偏壓對電弧離子鍍薄膜表面形貌的影響機(jī)理[J]. 黃美東,林國強(qiáng),董闖,孫超,聞立時. 金屬學(xué)報. 2003(05)
本文編號：3394074
【文章來源】：材料熱處理學(xué)報. 2020,41(03)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
不同脈沖負(fù)偏壓下TiAlCN薄膜的各元素含量
圖2為不同脈沖負(fù)偏壓下TiAlCN薄膜的SEM表面形貌。從圖2可以看出,不同偏壓下制備的TiAlCN薄膜表面質(zhì)量較好,同時表面或多或少存在著一些尺寸在幾微米的不規(guī)則的凹坑和顆粒等缺陷,這是復(fù)合離子鍍膜工藝中常見的缺陷[15]。在鍍膜過程中,鈦靶和鋁靶在蒸發(fā)過程中會噴射出來一些小液滴,這些小液滴在通過等離子區(qū)時會與電子發(fā)生項目碰撞而帶負(fù)電。當(dāng)脈沖負(fù)偏壓較小時,帶負(fù)電的小液滴受到電場的排斥力比較小,小液滴容易沉積到基體上,大顆粒的形成就是這樣小液滴聚集的結(jié)果;顆粒與薄膜之間由于存在熱膨脹系數(shù)的差異,容易造成顆粒從薄膜表面脫落而形成凹坑[16]。當(dāng)基體未加脈沖負(fù)偏壓時,如圖2(a)所示薄膜表面顆粒尺寸比較大、數(shù)量比較多;當(dāng)施加脈沖負(fù)偏壓時,如圖2(a)和2(b)所示薄膜表面顆粒數(shù)量明顯減少,尺寸也變小,表面質(zhì)量得到明顯改善,表明脈沖負(fù)偏壓的施加對薄膜起到明顯凈化作用。在偏壓幅值為-200 V時,薄膜表面顆粒和凹坑的數(shù)量最少、尺寸最小,表面質(zhì)量最好。當(dāng)脈沖負(fù)偏壓超過-200 V時,一些尺寸較大的針孔和凹坑在表面出現(xiàn),這可能是具有更高能量的離子轟擊基體表面,造成沉積在表面的顆粒脫落而形成,也可能是高能量的離子直接轟擊薄膜造成表面損傷的結(jié)果。
圖3為不同脈沖負(fù)偏壓下TiAlCN薄膜的XRD圖譜。從XRD圖譜可知,TiAlCN薄膜的物相主要由面心立方結(jié)構(gòu)的(Ti,Al)(C,N)相、Ti4N3-x相和Ti3Al相組成,還有少量的Ti2N相和α-Al相,其中(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面屬于(Ti,Al)(C,N)相的特征衍射峰。從(Ti,Al)(C,N)相的衍射圖譜可以看出,當(dāng)未施加脈沖電壓時,薄膜出現(xiàn)(200)晶面擇優(yōu)生長,這是因為在低應(yīng)力情況下薄膜沿著表面能最小的(200)晶面生長;當(dāng)脈沖偏壓在-100～-200 V之間,隨著偏壓的增大,膜層內(nèi)應(yīng)力提高,薄膜出現(xiàn)了(200)晶面向(111)晶面擇優(yōu)生長的轉(zhuǎn)變,但是當(dāng)偏壓增加到-300 V時,膜層內(nèi)應(yīng)力又有所降低,(200)晶面衍射強(qiáng)度又有少許增加。薄膜中的Ti4N3-x相通常被稱為MXene化合物,這類具有層狀結(jié)構(gòu)的三元碳化物/氮化物陶瓷兼具金屬和陶瓷的優(yōu)良性能,如較高的彈性模量、高屈服強(qiáng)度和剪切模量、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能。Ti3Al相是一種典型的金屬間化合物,具有高比強(qiáng)度、彈性模量和優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性。Ti4N3-x相和Ti3Al相的存在對薄膜性能將起到很大的改善作用。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]復(fù)合離子鍍TiCN薄膜的結(jié)構(gòu)與耐蝕性[J]. 任鑫,趙瑞山,黃美東,孔令梅,玄茲航. 材料保護(hù). 2016(08)
[2]C含量對電弧離子鍍TiAlCxN1-x（x=0,0.18,0.41,0.49,0.69）薄膜性能的影響[J]. 楊立軍,張澤輝,李林,張勇. 稀有金屬材料與工程. 2015(06)
[3]磁控濺射制備TiCN復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)與性能[J]. 許俊華,曹峻,喻利花. 中國有色金屬學(xué)報. 2012(11)
[4]TiAlN涂層高速鋼刀具的制備及鉆削性能研究[J]. 莫繼良,任元,朱旻昊. 中國表面工程. 2010(02)
[5]偏壓對電弧離子鍍薄膜表面形貌的影響機(jī)理[J]. 黃美東,林國強(qiáng),董闖,孫超,聞立時. 金屬學(xué)報. 2003(05)
本文編號：3394074
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