偏压对磁控溅射制备Ni掺杂TiB2基涂层结构及力学性能的影响

2015-06-21 李　沛上海大学省部共建高品质特殊钢治金与制备国家重点实验

　　采用双靶非反应磁控溅射，通过改变基底偏压，制备了一系列Ni掺杂TiB2基的涂层。通过X射线能谱仪确定其成分，利用X射线衍射、扫描电镜对涂层的结构进行分析，并通过纳米压痕、维氏压痕、划痕以及摩擦磨损分别对涂层的硬度、模量、断裂韧性、膜基结合力和摩擦学性能进行了表征。结果表明：此工艺下制备的TiB2-Ni涂层中均存在六方相的TiB2结构，并且生长结构非常致密，无明显的柱状生长结构，表面粗糙度低；硬度均大于40GPa；涂层均具有较好的断裂韧性；且随着偏压增大断裂韧性和结合力都有所提高；同时所制备涂层摩擦系数均在0.5～0.6，磨损率在同一数量级。

　　磁控溅射制备的TiB2基涂层具有高硬度和高的化学稳定性，因而在多方面得到了广泛的应用，可用于保护切削刀具、模具以及航空航天零器件表面等。TiB2基涂层虽然具有高硬度，但高硬度的材料在发生变形时通常具有脆性而容易导致失效，低韧性限制了TiB2基涂层在工程方面的应用，提高其韧性成为了一个非常重要的研究方向。而一般情况下，韧性的增长容易导致硬度的降低，很难做到两者兼顾。

　　金属和陶瓷材料在很多方面都有着广泛的应用，金属的主要特点是具有高韧性，陶瓷硬度很高但韧性较低。近年来，将韧性材料掺入陶瓷基涂层制备出的陶瓷/金属纳米复合涂层得到了广泛的研究。一些研究将Ni或Ti掺杂到许多碳化物和氮化物的涂层中，如Ni掺杂的TiC，TiN 和CrN，Ti掺杂的SiN等，金属的掺杂将导致硬度和韧性的变化。Akbari等研究发现了硬度大于25GPa且具有良好韧性的Ti-Ni-N涂层。

　　基于上述研究，本文研究了不同金属掺杂对于TiB2抗裂纹性能的影响，发现Ni掺杂对于其抗裂性能的提高是最明显的，但是在以前的研究中，发现虽然有提高，但是还存在很明显的柱状生长，说明涂层的性能还有很大的改进空间，基于此，本文采用中频和射频电源的双靶磁控溅射设备通过改变基片偏压制备了不同偏压的TiB2-Ni涂层。对所制备的涂层进行了结构和性能的研究，探讨了偏压对其生长结构，以及硬度、断裂韧性、膜基结合力和摩擦学等方面的性能。

　　1、实验

　　1.1、原料及制备

　　涂层的制备采用MS450型高真空双靶磁控溅射设备，通过改变基片偏压，在康宁Eagle玻璃、单晶Si(100)和M2高速钢基底上沉积不同偏压的TiB2-Ni涂层。其中TiB2靶(直径100mm，厚度4mm，纯度为99.9%)上均匀覆盖Ti片，采用中频电源(MF)，400W，100kHz；Ni靶(直径100mm，厚度4mm，纯度为99.995%)采用射频电源(RF)。涂层沉积前将沉积室本底真空抽到8×10^-5 Pa以下。基片分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中进行了超声清洗，然后用氮气吹干。沉积时在Ar气氛下，气压控制在0.7Pa。基底加热至300℃，基片偏压分别为-30，-50，-90和-110V，涂层厚度控制在1.3～1.5μm之间。

　　1.2、涂层表征

　　采用Bruker D8型X射线衍射(XRD)仪对涂层进行物相分析，CuKα射线，θ/θ模式，步长设定为0.01°，扫描范围20°～70°。涂层的生长结构利用Hitachi S4800 高分辨场发射扫描电子显微镜(SEM)进行观测，加速电压为4kV。涂层的硬度测量在MTS NANO G200纳米压痕仪上进行，采用金刚石Berkovich压头，为了减小基底的影响，最大压入深度设为150nm(约为膜厚的1/10)。每个样品测量8个点并取平均值，通过加载卸载曲线计算出塑性指数。涂层与基底的结合力分析采用CSM 公司的Revetest划痕仪进行测试，压头为半径200μm的金刚石Rockwell压头，力加载为0～100N，加载长度为3mm。维氏压痕测试采用HV-1000显微硬度计。利用FEI QuantaTM 250FEG型SEM 对划痕形貌和维氏压痕形貌进行了表征，电压为5kV。采用CETR UMT-3摩擦试验机对涂层的摩擦学性能进行表征，使用球盘往复模式。在室温，湿度为62±5%的条件下进行实验。对偶球采用直径为6mm的Al2O3球，加载为2N。对偶球的往复速度和频率为5cm/s和5 Hz。磨痕的深度分布使用KLA-Tencor Alpha-Step IQ表面轮廓仪获得。

　　3、结论

　　(1)采用磁控溅射设备制备出了不同偏压下的Ni掺杂TiB2基涂层。

　　(2)在结构上，制备出的所有TiB2-Ni涂层只存在六方结构的TiB2，低偏压涂层趋向于非晶态，高偏压涂层结晶性较好，所有涂层生长结构致密，无明显的柱状结构且具有很低的粗糙度(小于1nm)。

　　(3)在性能上，硬度均高于块体TiB2且大于40GPa；通过塑性指数与压痕测试观测出具有较好的韧性，韧性随着变压的增大有所增强；通过划痕测试，涂层的结合力随着变压的增大而增强，高偏压TiB2-Ni涂层具有较好的结合力；摩擦学性能上，所制备的涂层摩擦系数均在0.5～0.6之间，磨损率均在1.2×10^-15至3.2×10^-15 m³/N m 范围内，保持在同一个数量级。