脉冲偏压频率对TiSiN薄膜的微观结构和性能的影响

采用脉冲偏压电弧离子镀技术,通过改变脉冲偏压频率在M2高速钢基体上沉积TiSiN薄膜,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等仪器,研究脉冲偏压频率对TiSiN薄膜的表面和截面形貌、元素成分、相结构的影响,并通过纳米压痕仪测试了TiSiN薄膜的纳米硬度和弹性模量。在统计的视场内(9×10³ μm²),TiSiN薄膜表面的大颗粒直径在0.30~7.26 μm之间,脉冲偏压频率从40 kHz到60 kHz,数量由495个减少到356个,之后随着脉冲偏压频率增加到80 kHz,大颗粒数量又增加到657个;当脉冲偏压频率为60 kHz时,TiSiN薄膜表面大颗粒和微坑缺陷数量最少,Si原子含量达到最小值0.46%;脉冲偏压频率为50 kHz时,TiSiN薄膜以非柱状晶的结构进行生长,厚度达到最小值1.63 μm;脉冲偏压频率为60 kHz时,柱状晶结构细化,薄膜的致密度增加。不同脉冲偏压频率下TiSiN薄膜都在(111)晶面位置出现择优取向,Si以非晶态Si₃N₄的形式存在于TiSiN薄膜中,没有检测到Si的峰值,形成了TiN晶体和Si₃N₄非晶态的复合结构。脉冲偏压频率60 kHz下TiSiN薄膜的表面大颗粒最少,纳米硬度达到最大值34.56 GPa,比M2高速钢基体的硬度提高了约3倍。当脉冲偏压频率为50 kHz时,TiSiN薄膜的腐蚀电位达到最大值－0.352 V(vs SCE),比基体提高了723 mV,自腐蚀电流密度达到0.73 μA/cm²;当脉冲偏压频率为70 kHz时,TiSiN薄膜的腐蚀电位达到－0.526 V(vs SCE),自腐蚀电流密度达到最小值 0.66 μA/cm²。