沉积温度对磁控溅射制备V-Al-Si-N硬质涂层结构及性能的影响
采用磁控溅射工艺制备了不同沉积温度的V-Al-Si-N 涂层，利用X 射线衍射、扫描电镜、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对涂层的结构和性能进行了分析。研究结果表明：室温下制备的涂层生长缺陷较多，残余应力较大。适当提高沉积温度至300℃，涂层的晶体结晶性得到提高，柱状晶粗大贯穿整个膜厚，晶粒尺寸变大；继续提高沉积温度至500℃时，涂层呈(200)择优取向，晶粒尺寸变小，涂层致密度提高。随着沉积温度的提高，涂层的硬度略有下降，但是涂层的摩擦学性能得到大幅度提升。500℃制备涂层的硬度为29.7 GPa，磨损率达到6.1 × 10-17 m3/Nm，比室温制备的涂层的磨损率降低了两个数量级。
TiN 基硬质涂层具有良好的机械性能，一直是国内外刀具涂层的主流产品。但是该类涂层存在一个明显的弊端: 即切削过程中摩擦系数较大，从而导致切削力较大、切削温度高。近年来，VN 基涂层由于具有显著的中高温自润滑能力(摩擦系数较TiN 基涂层明显降低) ，被广泛地引入到多元氮化物涂层(TiAlVN、AlCrVN) 及纳米多层涂层。Rovere 等制备了不同体系的Me-Al-N涂层(Me = Ti、V、Cr) ，并系统地分析了Ti-Al-N、VAl-N 和Cr-Al-N 涂层的热稳定性。课题组近年来系统地研究了V-Al-N 与V-Si-N 两种体系的硬质涂层，制备出结构致密、硬度高达40 GPa 的V-Al-N 涂层和硬度超过50 GPa 的纳米胞状结构V-Si-N 涂层。类似于Ti-Al-Si-N 涂层，课题组最近也发现少量Si 的掺入对V-Al-N 涂层结构和性能的调控起到了积极作用。
在特定的生长条件下，VN基涂层展现出了良好的机械性能，或许可以成为弥补TiN 基涂层摩擦系数较高的缺点的材料体系。涂层的生长结构决定了涂层的机械性能。研究人员一直致力于通过优化工艺参数来调控涂层的生长结构，进一步优化机械性能。Choi 等研究了沉积温度和基片偏压对Ti-Si-N 涂层结构和性能的影响，在最优工艺条件下涂层的硬度超过60GPa。Ribeiro 等发现高强的离子轰击能够促进Ti-Si-N 涂层中Si 的析出，从而形成nc-TiN/a-Si3N4纳米复合结构。Sandu 等通过改变沉积温度制备出不同生长形貌的Zr-Si-N 涂层，其提出的三步模型表明提高沉积温度也有利于Si 的析出并形成纳米复合结构。因此沉积温度对含Si 涂层的结构和性能的影响显著。
本文利用磁控溅射的方法通过改变基片温度制备了不同沉积温度的V-Al-Si-N 涂层，并利用X射线衍射(XRD) 、扫描电镜(SEM) 、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机对涂层的结构及性能进行了分析。研究了沉积温度对V-Al-Si-N 涂层结构和机械性能的影响。
1、实验
1.1、涂层制备
利用MS450 型高真空(< 5 × 10 -5Pa) 双靶磁控溅射设备，通过改变基片温度，在康宁Eagle 玻璃、单晶Si(100) 和WC-Co 硬质合金基底上沉积VAl-Si-N涂层。Si 靶( 纯度99.99%) 采用射频电源(RF，250 W) 加直流电源(DC，150 W) ，V0.4 Al0.6靶( 纯度99.9%) 采用中频电源(MF，500 W，100kHz) 。在镀膜之前，沉积室本底真空抽到1 × 10-4 Pa 以下。镀膜时在Ar 和N2混合气氛下，总气压控制在1 Pa，N2分压控制在0.3 Pa。基片偏压为- 50V，基底温度分别为室温、300 和500℃。为了使沉积均匀，设定基片旋转速度为10 r/min，沉积时长120 min，涂层厚度1.6 ～1.8 μm。
1.2、结构及性能表征
涂层的物相分析采用Bruker D8 型XRD 仪，CuKα 射线，θ /θ 模式，步长设定为0.01°，扫描范围20°～90°。利用Hitachi S4800 高分辨场发射SEM 观察涂层的截面生长形貌; 并利用S4800 SEM 附带的能谱仪(EDX) 功能分析涂层的成分。涂层的硬度测量在MTS NANO G200 纳米压痕仪上进行。其中硬度测试采用Berkovich 金刚石压头，为了消除基片效应和表面粗糙度影响，最大压入深度设为200 nm( 约为膜厚的1/10) 。摩擦磨损性能测试在CETRUMT-3 型多功能摩擦磨损实验机上进行，对涂层的摩擦系数、磨痕轮廓和磨损量进行了分析。使用直径为6 mm 的Al2O3球作为摩擦副进行干摩擦实验，载荷为5 N，磨损位移360m，速度50mm/s。磨痕轮廓采用KLA-Tencor Alpha-Step IQ 轮廓仪测量。
2、结论
采用磁控溅射的工艺制备出不同沉积温度的V-Al-Si-N 涂层，通过对涂层结构和性能的表征，得到如下结论：
(1) 改变沉积温度对V-Al-Si-N 涂层的结构和摩擦学性能有较大的影响。
(2) RT 制备的涂层由于在低温高能条件下高能离子的轰击导致生长缺陷较多，残余应力较大。适当提高沉积温度至300℃，原子的扩散能力增强，涂层的晶体完整性得到提高，柱状晶粗大贯穿整个膜厚，晶粒尺寸变大; 继续提高沉积温度至500℃时，原子扩散更加充分，涂层呈( 200) 择优取向，残余应力较小，但是Si 的析出阻碍了晶粒生长，晶粒尺寸变小，涂层致密度提高。
(3) 随着沉积温度的提高，残余应力释放，涂层的硬度略有下降，但是涂层致密度的提高使涂层的摩擦学性能得到大幅度提升。500℃制备的涂层的硬度达到29.7 GPa，磨损率达到6.1 × 10 -17 m3/Nm，比RT 制备的涂层的磨损率降低了两个数量级。
