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PVD法制备（Ti，Al）N薄膜及其性能表征

作　者: 宋力
导　师: 吴化
学　校: 长春工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: (Ti,Al)N薄膜空心阴极电子束多弧离子镀大颗粒
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本论文采用空心阴极与多弧离子复合镀膜设备,利用脉冲偏压多弧离子镀技术,同时在空心阴极电子束辅助沉积的条件下,在W6Mo5Cr4V2高速钢基体上制备了超硬(Ti,Al)N薄膜。对此项技术的成膜机理进行了研究,同时,探讨了脉冲偏压模式对所制备的薄膜的微观结构及力学性能的影响。通过x射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析仪分别对(Ti,Al)N薄膜的相结构、微观形貌及薄膜成分进行了检测与表征。采用材料表面微纳米力学测试系统对薄膜的硬度、膜／基结合力、抗摩擦磨损性能及表面三维轮廓进行了表征。研究结果表明,额外的空心阴极电子束辅助作用会提高沉积粒子的离化率,抑制表面大颗粒污染,与单独采用多弧离子镀技术相比,所制备的(Ti,Al)N薄膜更加致密、平整。空心阴极电子束会产生等离子体电子束区,高能、高密度等离子体电子束区的存在,会对大颗粒产生一定的碎化作用,致使表面大颗粒数量减少,尺寸降低。同时,高能、高密度等离子体还会加强对基体表面的活化作用,促进大量细小晶粒的形成,从而提高薄膜的致密性,降低表面粗糙度,使膜层的力学性能和抗摩擦磨损性能均有所提高。脉冲偏压幅值和占空比对(Ti,Al)N薄膜的微观结构和力学性能均有较大的影响。随着脉冲偏压幅值的增加,薄膜表面的大颗粒污染有降低的趋势,薄膜表面逐渐变得光滑、平整,表面粗糙度降低。(Ti,Al)N薄膜的纳米硬度及膜基结合力随着脉冲偏压幅值的增加而提高,当偏压为-400V时,纳米硬度达到40.6GPa,膜基结合力为65N,继续增加脉冲偏压幅值,基体的温升效应过高,使所制备的薄膜硬度和结合力有所下降。占空比对大颗粒的抑制作用并不大,但对(Ti,Al)N薄膜的致密性有较大的影响,占空比为20%情况下,膜层较为疏松,硬度值不足20GPa,当占空比增加到80%时,膜层明显变得致密,硬度值增加到38.2GPa,抗摩擦磨损性能也随之提高。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-7
第一章绪论  7-19
  1.1 引言  7
  1.2 (Ti,Al)N薄膜的结构、性能及其应用  7-10
    1.2.1 Ti-Al-N体系的晶体结构及性能特点  7-10
    1.2.2 (Ti,Al)N薄膜的主要应用  10
  1.3 PVD技术的原理及特点  10-14
    1.3.1 多弧离子镀技术  10-12
    1.3.2 空心阴极离子镀技术  12
    1.3.3 溅射技术  12-13
    1.3.4 离子束辅助沉积技术  13-14
  1.4 薄膜的生长  14-16
    1.4.1 薄膜的形核与生长  14-15
    1.4.2 薄膜的形核与生长的物理过程  15
    1.4.3 薄膜的生长过程与薄膜结构  15-16
  1.5 PVD技术在发展过程中存在的问题  16-17
  1.6 选题意义、主要研究内容及研究路线  17-19
    1.6.1 选题意义  17
    1.6.2 主要研究内容及研究路线  17-19
第二章 (Ti,Al)N薄膜的制备与表征  19-26
  2.1 实验设备及制膜原理  19-20
    2.1.1 实验设备的构造及特点  19-20
    2.1.2 制膜原理  20
  2.2 薄膜的制备  20-23
    2.2.1 基体材料的选择与加工  20
    2.2.2 试样的预处理工艺  20-21
    2.2.3 (Ti,Al)N薄膜的制备工艺  21-23
  2.3 (Ti,Al)N薄膜的分析测试方法  23-26
    2.3.1 相组成的测定  23
    2.3.2 成分的测定  23
    2.3.3 微观形貌的观测  23
    2.3.4 膜/基结合力的评价  23-24
    2.3.5 薄膜硬度的评价  24-25
    2.3.6 抗摩擦磨损性能的评价  25-26
第三章 (Ti,Al)N薄膜结构、成分及表面形貌的研究分析  26-37
  3.1 薄膜的成分及相组成分析  26-31
    3.1.1 不同空心阴极电流作用下的相组成分析  26-28
    3.1.2 不同脉冲偏压模式下的相组成分析  28-30
    3.1.3 (Ti,Al)N薄膜的成分分析  30-31
  3.2 薄膜表面形貌的研究分析  31-36
    3.2.1 不同脉冲偏压模式作用下的薄膜表面形貌对比分析  31-35
    3.2.2 空心阴极电子束对(Ti,Al)N薄膜表面形貌的影响  35-36
  3.3 本章小结  36-37
第四章 (Ti,Al)N薄膜抗摩擦磨损性能及力学性能的研究分析  37-49
  4.1 (Ti,Al)N薄膜抗摩擦磨损性能的研究分析  37-41
    4.1.1 空心阴极电子束对(Ti,Al)N薄膜抗摩擦磨损性能的影响及影响机理  37-39
    4.1.2 脉冲偏压模式对薄膜抗摩擦磨损性能的影响及影响机理  39-41
  4.2 (Ti,Al)N薄膜硬度的研究分析  41-45
    4.2.1 空心阴极电子束对薄膜硬度的影响及影响机理  42-43
    4.2.2 脉冲偏压模式对薄膜硬度的影响及影响机理  43-45
  4.3 膜层/基体间结合力的研究分析  45-48
    4.3.1 空心阴极电子束的影响及影响机理  45-46
    4.3.2 脉冲偏压的影响及影响机理  46-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章结论  49-50
致谢  50-51
参考文献  51-57
作者简介  57
攻读硕士学位期间研究成果  57-58

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