Cu含量对脉冲偏压电弧离子镀TiN-Cu纳米复合薄膜硬度的影响

2013-09-15 魏科科大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室

　　用脉冲偏压电弧离子镀技术在高速钢(HSS)基体上制备了一系列不同Cu 含量的TiN- Cu 纳米复合薄膜，用EPMA、SEM、GIXRD 和纳米压痕等方法分别测试了薄膜的成分、形貌、相组成、硬度和弹性模量，重点考察薄膜成分对其硬度和弹性模量的影响。结果表明，Cu 含量对薄膜的硬度和弹性模量影响显著，随着Cu 含量的增加，薄膜硬度和弹性模量先增大后减小，在Cu 含量为1.28 at%时，硬度和弹性模量达到最大值，分别为45.0 GPa 和562.0 GPa。最后对TiN- Cu 纳米复合薄膜的非晶- 纳米晶强化机制进行了讨论。

　　自20 世纪80 年代以来，以TiN 为代表的各类硬质薄膜材料及其制备技术得到了迅猛的发展，特别是在机械加工行业中得到了广泛的应用。近年来，将纳米技术引进硬质薄膜而使之具有大于40 GPa 硬度的超硬薄膜材料开发已经成为一种研究趋势。1994 年Veprek 和Reiprich首先提出了纳米复合薄膜的理论和设计思想，即将纳米晶粒镶嵌在非晶基体中形成纳米复合薄膜。

　　随后，捷克J. Musil等人提出由两相纳米晶纳米复合的薄膜，即由过渡族金属纳米晶氮化物再添加少量的软质金属合成的纳米复合薄膜，也将具有超硬性能。如今纳米复合薄膜可以分为两类：一类是nc-MeN/a- 硬质相纳米复合材料，如：nc- TiN/a- Si3N4 和nc- TiN/a- TiB2 等; 而另一类为nc-MeN/ 软质相Me*，其中Me* 为如Cu、Ni、Y 和Ag 等的软质金属。为形成上述两相系统，两种材料必须完全不互溶，即两相的表面能均较高，在相图中相互分离，而且纳米晶相还需有一定结构柔性以产生共格应变，而非断键，空洞或其他缺陷。

　　Ti- Cu- N 系薄膜作为第二类纳米复合薄膜的典型代表，以其优异的超硬性能，引起了科研人员的广泛关注。目前国内外研究人员已经采用多种方法进行了该薄膜的制备，主要包括：直流磁控溅射，低能离子束轰击磁控溅射，非平衡磁控溅射和脉冲偏压电弧离子镀等，硬度可以达到40 GPa 左右。

　　其中脉冲偏压电弧离子镀具有离化率高、膜基结合力好等特点，特别是脉冲偏压的使用已被证实能够有效降低沉积温度，提高形核率，增强原子活性，降低内应力，提高膜层的致密度和降低大颗粒数量、提高表面光洁度等。Zhao Y H 等人用脉冲偏压电弧离子镀制备了TiN- Cu 薄膜，并研究了大范围改变偏压幅值(- 100 V~- 900 V)对薄膜力学性能的影响，发现最好的薄膜硬度可达到31.5 GPa。本文同样使用脉冲偏压电弧离子镀来制备TiN- Cu 薄膜，但注重成分对力学性能的影响，即在保持偏压不变的条件下通过分离靶弧流控制技术来大范围改变薄膜中Cu 的含量，重点考察Cu 含量对Ti- Cu- N 纳米复合薄膜硬度和弹性模量的影响，并对薄膜的硬化机制进行讨论。

1、实验设备与方法

　　用自行设计的DHSP700 型增强过滤脉冲偏压电弧离子镀设备制备不同成分的Ti- Cu- N 薄膜，设备结构如图1 所示。在两个相对布置的阴极靶位上安装阴极靶，左侧安装纯Ti 靶(99.99at%)，右侧安装用粉末冶金法制备的Ti- Cu 合金靶，为了大范围改变成分，右侧靶材使用了两种成分配比的Ti- Cu 合金靶(纯度均为99.99at%)，一个为Ti70Cu30，另一个为Ti90Cu10。所用基体样品为两种，一种为20 mm×10 mm×5 mm 的HSS 高速钢片，另一种为5 mm×10 mm×1 mm 的单晶Si 片，高速钢样品用来检测力学性能，Si 片样品用来检测结构信息。样品经超声清洗后放置于真空室中。当设备真空度达到5×10^{- 3} Pa 以上时，通入氩气，用高压脉冲偏压引发辉光进行Ar 离子溅射清洗，去除基体表面杂质和污染物。制备Ti- Cu- N 薄膜时，通入反应气体氮气，同时开启Ti 靶和Ti- Cu 合金靶，通过更换Ti- Cu 合金靶材和大范围改变弧流配比以获得不同Cu 含量的Ti- Cu- N 薄膜。6 组实验中腔室温度始终保持200℃，使用脉冲偏压为幅值×频率×占空比=350 V×40 kHz×40%，氮气流量恒定为60 sccm，沉积时间为60 min，保持膜的厚度一致，经检测所有薄膜厚度大约均在0.8 μm~1.0 μm 范围。具体的靶材和弧流参数如表1 所示。

DHSP700 型等离子体增强电弧离子镀膜系统结构示意图