多弧离子镀纳米复合膜的结构与性能研究

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1、摘要多弧离子镀技术是先进的表面工程技术之一。纳米复合膜是当前表面工程领域的发展前沿。工模具表面硬化涂层主要以TiN为主，并已投入了应用。但是纯1‘iN涂层的硬度仅为2200HV，在某些情况下还不能满足人们的需要。实践证明，若在TiN涂层中加入Cu(Ni)元素，使薄膜形成纳米复合结构，会使薄膜硬度有很大的提高，其本征硬度可超过4500HV。本论文首先介绍了纳米复合涂层的制备过程，而后讨论了影响纳米复合涂层结构和性能的因素，主要包括弧靶燃弧方式、氮气分压、基体负偏压、沉积温度及试样位置等参数。对在不同工艺参数下制备的纳米复合涂层进行了一系列的检测及结果分析，包括断口形貌、膜层结

2、构及成分、晶粒尺寸、薄膜硬度、薄膜厚度等方面，并对薄膜的致硬机理做了进一步的探讨。本文中间部分主要讨论了Ti-Cu—N(Ti—Ni-N)薄膜的制备，即纳米晶结构的获得方法，而后对影响其结构和性能的因素进行了讨论。对于Ti_Cu—N薄膜而言，从断口形貌照片可以看出，连续燃弧和间断性燃弧都能够获得纳米结构的晶粒，连续燃弧方式下制备的Ti-Cu—N薄膜断口较为平整，呈现出类似于金属和陶瓷材料在普通晶粒度下脆性断裂时表现出来的宏观“磁状断口”特征。经分析可断定该复合膜晶粒尺寸已达到纳米级的水平。而用间断燃弧方式得到的Ti-Cu—N及Ti—Ni-N薄膜其断口相貌呈现出明显的分层现象，

3、且晶粒也已达到纳米级水平。表明Cu(Ni)的加入有利于晶粒的细化和纳米晶结构的形成。Cu(Ni)的加入，使TiN(“1)和(200)均出现择优取向，且两个衍射峰的强度几乎相等，衍射峰发生了明显的宽化，导致了晶粒的细化和薄膜硬度的升高。Ti—Cu—N薄膜的厚度取决于基体偏压；Ti—Ni—N薄膜的衍射峰出现(200)的择优取向，衍射峰强度和宽度会随基体偏压及沉积温度的变化而变化，这两个参数都是导致晶粒细化的主要因素。薄膜的硬度测定值实际上反映的薄膜的复合硬度，其硬度值受基体的影响，而薄膜的本征硬度值可由J—H模型推算。该膜层的表面形貌主要与氮气分压和负偏压有关，随着N。分压的增

4、加及基体负偏压的增加，薄膜表面液滴数量明显减少，尺寸明显变小。北京工业大学工学硕士学位论文本文最后部分主要讨论了导致T卜Cu—N和Ti—Ni—N纳米复合膜超硬性的原因。首先这种涂层的纳米复合结构导致了其超硬性。cu元素和Ni元素都不与Ti、N2发生反应，只作为添加项分布在TiN相周围，有效地防止了应力作用下过渡金属氮化物薄膜晶间因裂纹扩展而导致的薄膜失效。细小的晶粒尺寸也是导致薄膜超硬性的一个原因。由TiN／Cu和TiN／Ni的x射线衍射图谱可知，由于Cu、Ni的加入而使晶粒细化，导致纳米复合涂层硬性的显著提高。关键词多弧离子镀；纳米复合膜；纳米晶ABSTRACTMulti

5、·arcionplatingtechniqueisoneofthemostadvancedsurfaceengineeringtechniques．Nano—compositefilmstechniqueisinfrontofthesurfaceengineering．AlotoftoolswhichpossesTiNfilmshavebeenusedtomanyfieldsextensively．However,aninevitablefactisthatthehardnessvalueofTiNfilmsisonlyreachto2200HV．Asthetimegoin

6、g，PeoplefoundthatTiNfilmswhichareaddedwithCuorNiconstituentwillpossestheintrinsicsuperhardperformanceof4700HV．Thepreparationofllano—compositefilmswasintroducedfirstinthispaper,．Andthenalotoffactorswhichinfluencethestructureandperformanceoffilmswerediscussed．Theseparametersincludeopentimean

7、dsystemofthetarget，thenitrogenpartialpressure，theminusbiasvoltage，thetemperatureandpositionofsamplesandSOon，Themicroscopicpattern，structureofphase，constituentofsurface，grainsize，thicknessandhardnessoffilmsaremeasuredbyseriesofmethods，andthecause··hardenmechani