多元多层复合膜的制备及性能研究

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本文阐述了多弧离子镀技术的原理﹑特点﹑应用及发展现状,并对TiN﹑CrN﹑TiCrN薄膜进行了综述。采用自制XH800型多弧离子镀设备在YG6硬质合金表面制备了TiN薄膜、CrN薄膜和TiN/TiCrN/CrN多元多层(15层)复合膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度仪、体视显微镜和划痕仪对薄膜的物相结构、表面及断口形貌、表面成分及主要性能进行了分析。XRD分析结果表明,TiN薄膜以TiN(111)晶面择优取向,并存在TiC相。CrN薄膜以CrN和Cr2N相同时存在,无单质Cr相存在。TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的相结构组成为TiN和Cr2N,随着铬靶电流的增大,TiN的择优取向由(200)向(111)转变,膜层出现单质Cr。扫描电镜的微观观察结果表明,TiN、CrN膜表面存在较多液滴,TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的表面液滴及大颗粒比单层膜少,Cr元素的引入改善了膜层的表面质量。断口形貌显示TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜呈现层状结构,多层结构的出现,改变了单层膜的粗大柱状晶生长方式,使得膜层以微细柱状晶生长。TiN/TiCrN/CrN多元多层膜的厚度最厚为5.02μm,膜层厚度受到靶材电流,镀膜时间以及偏压等多种因素的影响。单层膜和多层膜结构都较致密,与基体结合良好。表面能谱结果显示,单层膜表面N:Ti和N:Cr原子百分比都接近1:1,液滴和大颗粒的存在是造成偏差的主要原因,这与靶材电流和偏压有关;TiN/TiCrN/CrN多元多层膜表面成分与钛靶和铬靶的电流配比有关,铬靶电流对膜层表面的液滴和大颗粒的数量有明显影响。显微硬度及结合力测试得到TiN单层膜的硬度在2000HV左右,最高为2156HV,结合力最高为50N;CrN单层膜的硬度最高达到2595N,结合力也达到60N;多元多层复合膜显微硬度都在2000HV以上,最高为2336HV,结合力最高为63N。TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的硬度在TiN膜和CrN膜之间,较TiN膜有所提高;结合力较单层膜有所提高,由于多层结构的出现使得晶粒细化,降低了膜层内应力。显微硬度和结合力都受到偏压和靶电流等因素的影响。适当增加偏压和降低靶电流有助于硬度和结合力的提高。选择合适的偏压和靶材电流是制备出优质TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的必要条件。
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