U及Si基表面TiAl薄膜的制备及组织结构研究

　　利用Gibbs自由能判据计算了室温和1000 K 温度下TiAl 体系非晶形成成分区间。计算结果表明,TiAl 非晶形成区间为10%~ 80%( 原子比)Ti。在计算结果的指导下, 设计薄膜的成分区间, 利用非平衡多靶溅射沉积开展了TiAl 非晶薄膜在Si 和U 基上的形成研究。实验在不同脉冲偏压、沉积速率、基体初始温度下进行, 薄膜组元成分通过不同靶材的沉积速率来控制完成。利用X 射线衍射、扫描电镜、俄歇分析谱仪分析了薄膜的组织结构、表面及界面形貌和成分区间。结果表明, TiAl 体系在U 基上未能获得非晶薄膜, 而在Si 基上获得了非晶薄膜。所选工艺下, Si 基上TiAl 非晶薄膜形成的成分区间为25%~ 40%Ti, 60%~ 75%Al。为了能在U 基上获得非晶薄膜, 加入了第三组元Ni, 成功地获得了TiAlNi 非晶薄膜。

　　非晶态合金即金属玻璃, 是一种亚稳态结构, 具有短程有序, 长程无序的特征, 固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列, 并在一定范围内, 这种状态保持相对稳定。由于非晶态合金不存在通常金属所具有的晶粒边界, 因而具有一系列独特的性能。非晶态合金具有优异的软磁性能, 显微结构的均匀及磁各向异性的缺乏, 造成了其低的矫顽力和低磁滞损耗的特点。由于缺乏滑移系, 非晶态合金的机械性能与一般金属具有很大的不同。在高温下会产生粘滞流现象, 为超塑性成型提供了可能, 变形时无加工硬化现象, 并且具有很高的屈服强度。非晶态合金的一个非常重要的性质是超强的抗腐蚀性, 良好的耐磨性, 它可以作为非常好的薄膜材料来抵恶劣的环境。利用非晶态合金的这些性能, 将其薄膜化, 获得的非晶薄膜在许多领域有重要的应用前景。该工作选用金属U 作为基体材料, U 具有独特核性能使其广泛地应用于国防和核能工程等领域。但U 化学性质非常活泼, 即使在自然环境中也易发生腐蚀, 希望通过实验在U 基材料表面获得非晶薄膜, 提高其抗腐蚀性能。主要针对不同的基体材料(U 和Si) 、偏压、沉积速率、温度, 研究钛基非晶体的形成能力和成分范围。

3、结论

　　(1) 利用非平衡多靶溅射沉积方法, 在计算结果的指导下, 设计的薄膜成分期间, 通过不同靶材的沉积速率来完成薄膜成分控制。在不同基体材料、脉冲偏压、沉积速率、基体初始温度下制备了TiAl, TiAlNi 薄膜。TiAl 体系在Si 基上、TiAlNi 在U 基获得了非晶薄膜, 其它为晶化薄膜。

　　(2) 在所选工艺下, Si 基上TiAl 非晶薄膜形成的成分区间为25%~ 40%Ti, 60% ~ 75%Al;

　　(3) 非晶薄膜的形成不但与组元体系的生成热力学、镀膜工艺有关, 同时还与基体的晶体结构有关, 而且U 表面难以获得TiAl 非晶体薄膜。