高功率脉冲磁控溅射低温沉积α-（Al%2CCr）2O3薄膜及其性能的研究

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1、硕士学位论文高功率脉冲磁控溅射低温沉积α-(Al,Cr)2O3薄膜及其性能薄膜的研究作者姓名王书林学科专业材料加工工程指导教师邱万奇教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年04月Sdutyonthelow-temperaturedepositionandmechanicalpropertiesofα-(Al,Cr)2O3filmspreparatedbyhighpowerpulsedmagnetronsputteringAThesisSubmittedfortheDegreeofMas

2、terCandidate：WangShulinSupervisor：Prof.QiuWanqiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TB3.TG学校代号：10561学号：201520115797华南理工大学硕士学位论文高功率脉冲磁控溅射低温沉积α-(Al,Cr)2O3薄膜及其性能的研究作者姓名：王书林指导教师姓名、职称：邱万奇教授申请学位级别：学术型硕士学科专业名称：材料加工工程研究方向：功能薄膜材料论文提交日期：2018年04月22

3、日论文答辩日期：2018年06月04日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：张新平委员：邱万奇，焦东玲，王刚，袁斌摘要现代加工产业向高速化、自动化和精密化飞速发展，要求加工用的刀具同时具有优异的高温硬度和韧性，在高温条件下不与被加工材料发生粘结、扩散和氧化等综合性能，α-Al2O3涂层刀具满足这些要求。然而传统化学气相沉积法制备α-Al2O3薄膜沉积温度高，尾气排放对环境有影响，实际应用受到很大限制。本文用AlCr合金作靶材，在高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）系统中低

4、温沉积α-(Al,Cr)2O3薄膜，用掠入射XRD，扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）并对薄膜的结构、形貌、成分进行了表征，用纳米力学测试仪（HysitronTI950）对薄膜的力学性能进行评估，结果如下：溅射Al50Cr50靶沉积薄膜时工艺过程稳定，制备的薄膜平整、致密、由20nm的纳米晶组成。在500~520℃得到非晶Al2O3+α-Cr2O3+α-Al2O3（少量）混合相薄膜，当沉积温度为540℃时，得到α-(Al,Cr)2O3+α-Cr2O3（少量）薄膜；随着工作气压的增加，薄膜晶

5、化程度先增加后降低，在0.5Pa的工作压力下可得到结晶度最高的薄膜，工作气压对薄膜的沉积速率影响不大；随着氧分压的增加，薄膜氧含量量逐渐升高、沉积速率降低，在10%的氧分压条件下，可得到符合化学计量比的(Al,Cr)2O3薄膜。溅射AlXCr100-X(x=50/70/80/90)系列合金靶时，当Cr含量小于20atm.%时，靶表面火花放电严重，沉积的薄膜粗糙、疏松，由放电颗粒组成；当Cr含量大于30atm.%时，靶表面火花放电消失，沉积的薄膜平整、致密，组成晶粒细小、均匀，薄膜与基体结合紧密。在

6、540℃沉积温度、10%氧分压、0.5Pa工作压力条件下，溅射Al50Cr50、Al70Cr30靶材沉积的薄膜中均含有α-(Al,Cr)2O3主晶相和α-Cr2O3，Al70Cr30靶材对应的薄膜结晶度更好；溅射Al80Cr20、Al90Cr10靶材时，薄膜中主晶相过渡为α-Cr2O3，同时出现亚稳相κ-Al2O3。溅射纯Al靶时，靶表面火花放电严重，所沉积的薄膜粗糙、疏松、由火花放电颗粒组成，薄膜由α-Al2O3和少量κ-Al2O3组成；溅射Cr靶沉积薄膜时工艺过程稳定，薄膜平整、致密，由100

7、~200nm的均匀颗粒组成，为单相α-Cr2O3薄膜；薄膜均与基体结合良好。在540℃沉积温度、10%氧分压、0.5Pa工作压力条件下，随着溅射靶材中Cr含量的降低，薄膜的硬度呈先增大后减小的变化规律，溅射Al70Cr30靶材沉积的主晶相为α-(Al,Cr)2O3的薄膜硬度最高，达30.3GPa。I关键词：涂层刀具；AlCr合金靶；高功率脉冲磁控溅射；低温沉积；α-(Al,Cr)2O3薄膜IIABSTRACTTherapiddevelopmentofmodernprocessingindustry

8、tohighspeed,automationandprecisionrequiresthatthecuttingtoolshaveexcellenthightemperaturehardnessandtoughnessatthesametime,andtheyarenotbonded,diffusedandoxidizedwiththeprocessedmaterialsathightemperature.Thetoolswithα-Al2O3coatingmeetthesereq