射频磁控溅射法沉积SiC-Al薄膜的摩擦特性

　　利用射频法非平衡磁控溅射设备在钛合金板上沉积了非晶态SiC-Al 薄膜。为了降低薄膜的摩擦系数，在薄膜中添加Al 原子，同时Al 也被选择为中间过渡材料来提高界面结合强度和防止界面氧化。研究结果表明: 薄膜摩擦系数随着Al 原子含量的增加而先减后增，并在Al 含量为0. 97%时达到最小值。SiC-Al 薄膜对SiC 和Al2O3陶瓷材料的摩擦系数比对不锈钢材料的摩擦系数低，但它与SUJ2 轴承钢之间的摩擦系数最低，在0. 04 ～ 0. 07 之间。当把Al 作为中间过渡材料时，SiC-Al 薄膜的破坏寿命达到了20000 循环以上，明显改善了薄膜的界面结合强度; 当Al 中间过渡层的厚度超过0. 2 μm 以上时，薄膜破坏表现为磨损而不发生剥离现象。另外，薄膜的耐磨强度随着Al 含量的增加有所增强。

　　SiC 具有优良的耐腐蚀性、耐热性和高的机械强度，它的硬度( Hv: 3300) 仅次于金刚石和C-BN 等少数几种材料。它可以作为保护涂层提高耐磨性和防腐蚀等。可以用常见的薄膜沉积方法如等离子增强化学气相沉积( PECVD) 、热丝辅助化学气相沉积( HFCVD) 、分子束外延( MBE) 、物理气相沉积(PVD)和磁控溅射等来沉积SiC 薄膜，其中PVD 法沉积的SiC 薄膜有较低的摩擦系数，但与金属基材的结合强度很差。而射频( RF) 非平衡磁控溅射由于能获得很高的沉积速率而广泛使用。利用RF 非平衡磁控溅射法在Ti 基材上沉积非晶态SiC 薄膜材料，结果显示: 大大改善了Ti 的耐磨性，而摩擦系数与类金刚石(DLC) 薄膜基本相同( 约0.13) 。

　　为了进一步降低摩擦系数，提高界面的结合强度，在SiC 薄膜中掺杂Ti 原子得到了摩擦系数0. 04的SiC-2. 6%Ti( 质量比) 薄膜材料。本研究是在此基础上，开发一种新的薄膜材料SiC-Al，通过在非晶体SiC 薄膜中加入Al 原子，研究Al 原子的含量对SiC 薄膜的摩擦系数的影响，以获得更低的摩擦系数。通常为了改善界面强度所采用的方法有: ①基材的表面处理，②在沉积中增加负偏压，③对基材加热以促进原子在基材表面的流动，④在薄膜中加入杂质原子，⑤采用中间过渡层等。

　　本研究将采用中间过渡材料的方法解决界面结合强度问题，由于在非平衡磁控溅射设备中装入了SiC 靶和Al 靶，为了中间过渡材料和SiC-Al 薄膜在同一真空中沉积，以保证高的界面结合强度和防止界面氧化，选择Al 作为中间过渡材料，并对该复合薄膜材料的界面强度进行了评价。

1、实验材料及方法

　　实验先把直径Φ50 mm 的Ti-6Al-4V 合金板的表面用#1000 号砂纸研磨，再用抛光机抛光至镜面，在丙酮中超声波清洗10 min。沉积SiC-Al 薄膜所用设备为图1 所示的双靶位非平衡磁控溅射设备，靶材为直径Φ50 mm 的SiC 靶和Al 靶，试验片装在载物台上并调整好与靶子的距离。当系统真空度达到5× 10 ^-4 Pa 时，通入Ar 气，压力保持5 × 10 ^-1 Pa，对基材表面进行等离子清洗10 min。在SiC 靶和Al 靶上分别施加一定的电压( 或功率) ，使双靶同时向基材溅射，沉积有一定Al 原子含量的SiC-Al 薄膜。Al 与SiC 的原子含量是根据事先对单靶的沉积速率测定得到的，在实验中保持SiC 靶位的距离和输出功率不变而改变Al 靶的输出功率，进而得到不同Al 原子含量的SiC-Al 薄膜。为了保证薄膜的均匀沉积，载物台以10 r /min 的速度旋转。

　　实验要先在基材表面沉积Al 中间层，而Ti-6Al-4V 基材表面形成的TiO2膜会影响薄膜的界面强度，大大减小界面的结合力，Al 与TiO2能够自发地发生原位置换反应形成粘接相:

　　在该反应中Gibbs 自由能ΔG 和焓ΔH 为负值，在高能Al 原子的轰击下，很容易在基材表面自发进行这一不可逆过程，同时放出大量的热。在这个过程中形成了一个粘接相TiAl，它有可能很好地连接钛合金与SiC-Al 薄膜，消除了TiO2与SiC-Al 薄膜的直接接触。

　　薄膜沉积后使用触针式表面粗糙度测试仪测得薄膜厚度。用“Ball-On-Disk”摩擦试验机来评价SiC-Al 薄膜的摩擦特性，摩擦副直径Φ10 mm 的SiC球，球上施加2. 94 N 的荷重，接触点的动半径为16 mm，滑动速度为0. 1 m/s。在完成一定循环次数后，用光学显微镜观察磨痕，同时用表面粗糙度仪测定磨耗断面曲线。

图1 双靶位非平衡磁控溅射系统

3、结论

　　通过使用双靶位磁控溅射设备在Ti-6Al-4V 合金上沉积了SiC-Al 薄膜，着重研究了Al 原子的浓度对SiC-Al 薄膜的摩擦系数的影响以及Al 中间层对界面强度的影响。

　　(1) 当用SiC 作为摩擦副时，随着薄膜中Al 原子含量低于0. 97%时，摩擦系数随Al 原子含量的增加逐步下降，而超过0. 97% 后，摩擦系数随Al 原子含量的增加而增加，0. 97% 时薄膜有最低摩擦系数0. 08。

　　(2) 当分别用SUJ2、SUS304 以及SiC 和Al2O3作为摩擦副时，SiC-0. 97% 薄膜与SUS304 和Al2O3球之间的摩擦系数在0. 1 左右。通过摩擦系数的重复实验表明SUJ2 与SiC-0. 97% 薄膜之间的摩擦系数在0. 04 ～ 0. 07 之间，确认了这两种材料之间有很低的摩擦系数。

　　(3) Al 中间层很好地改善了Ti-6Al-4V 合金与SiC-0. 97%Al 薄膜之间的界面强度，并且Al 中间层的厚度超过0. 2 μm 以上时，薄膜的破坏表现为磨损而不是剥离破坏，薄膜几乎被磨光。