不同磁控溅射工艺对纳米晶TiN薄膜微观结构与力学性能的影响（英文）

对比研究了直流磁控溅射(dcMS)、高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)和调制脉冲磁控溅射(MPPMS)所沉积纳米晶TiN薄膜的组织结构与力学性能。结果表明,因dcMS溅射粒子离化率与动能均较低,薄膜表现为存在少量空洞的柱状晶结构,薄膜力学性能差、沉积速率为51 nm/min。HPPMS因具有较高的瞬时离化率和较低的占空比,薄膜结构致密而光滑,性能得到了显著改善,但平均沉积速率较低,仅为25 nm/min。通过MPPMS技术可大范围调节峰值靶功率和占空比,从而得到较高的离化率和平均沉积速率,薄膜结构致密光滑、力学性能优异,沉积速率达45 nm/min,接近dcMS。     

磁控溅射ZrAlCuN薄膜的微观组织与力学性能

采用磁控溅射技术制备不同原子比的ZrAlCuN薄膜。采用场发射扫描电镜(FESEM)观察截面形貌,高分辨透射电镜分析微观组织结构,纳米压入法测定薄膜的硬度,压入法(维氏压头)测定薄膜的韧性。结果表明:Zr0.36Al0.15Cu0.01N0.48薄膜截面呈纳米尺度柱状晶,沿沉积方向生长,仅存在[111]、[200]、[220]、[311]取向的5~10nm ZrN晶粒,未发现AlN及Cu独立相,硬度约41.7GPa(载荷10mN),弹性模量约257.8GPa。Zr0.29Al0.24Cu0.08N0.39薄膜呈纳米尺度柱状晶,存在10~20nm ZrN纳米晶以及Cu[111]纳米晶,硬度约27GPa(载荷10mN),弹性模量约225.8GPa。由于前者具备较高的硬度/弹性模量比,从而表现出较好的韧性。     

氧化工艺对真空电弧沉积TiN薄膜组织与性能的影响

研究了各种氧化工艺对真空电弧沉积TiN薄膜组织与性能的影响。结果表明，TiN薄膜在400℃于不同时间整体氧化时，表面Ti液滴和TiN相发生不同程度的氧化，转变成具有金红石型的TiO2薄膜，提高了膜层表面的致密性，而TiN薄膜的整体组织结构未发生较大改变。随着氧化时间的延长，在40min后硬度才略有下降，内应力下降，膜层的结合力提高，并具有较好的耐磨性能。     

氮气流量对反应磁控溅射TiN薄膜微结构与力学性能的影响

利用磁控溅射镀膜技术分别在硬质合金YG6X和单晶Si片表面制备TiN薄膜,分析N2流量对薄膜相组成、表面形貌、显微硬度和膜基结合力的影响。结果表明,N2流量对薄膜的微结构以及力学性能具有重要影响。随着N2流量的降低,TiN薄膜表面孔洞和台阶明显减少,表面平整度得到明显改善;薄膜的物相组成在N2流量为0.2sccm时为TiN和TiN0.61两相;N2流量的变化改变了薄膜表面的能量状态,因此,降低N2流量导致TiN薄膜的生长取向由(200)面向(111)面转变。同时,N2流量为2.4 sccm时TiN薄膜的膜基结合力最高,此时TiN薄膜也具有最高的显微硬度。     

TiN/CrN多层薄膜微观结构与力学性能的研究

近些年来,TiN/CrN多层薄膜由于其优良的力学性能被广泛应用于表面防护,提高零部件性能和使用寿命等方面。为了研究TiN/CrN多层薄膜微观结构与力学性能的关系,本文采用磁控溅射技术制备了TiN、CrN单层薄膜和三种不同调制周期的TiN/CrN多层薄膜。通过原子力显微镜和X射线衍射分析了膜的表面形貌和相结构。使用纳米压痕仪测试薄膜的硬度和压入塑性,曲率法测定薄膜的残余应力。结果表明,TiN/CrN的多层薄膜是由TiN和Cr2N两相组成,随着调制周期的增大TiN层与CrN层之间的界面区域变小,界面平滑且明显。力学性能方面,多层薄膜的硬度和压入塑性比单层膜好,并且多层薄膜随调制周期的减小硬度和压入塑性越大,残余应力随周期性的增加而逐渐增大。综上可见,TiN/CrN多层薄膜的力学性能的改善取决于界面区域的大小和形貌,即调制周期,该结论与Hall–Petch理论相吻合。     

脉冲电沉积时间对纳米晶镍镀层微观结构和性能的影响

采用脉冲电沉积法制备纳米晶镍镀层,利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪及显微硬度计对不同电沉积时间下制得的镍镀层的显微组织、微区成分、结构及力学性能进行表征分析。结果表明,不同电沉积时间下制得的镍镀层晶粒尺寸在21 nm小幅波动;随着电沉积时间的延长,纳米晶镍镀层的显微硬度存在先增大后缓慢降低的趋势,最大值为472 HV0.01,对应的电沉积时间为16 m in;纳米晶镍镀层的微观形貌为累积长大的胞状结构,电沉积时间为1~4 m in时,胞状结构表面密布着粒径为90 nm左右的二次纳米镍颗粒;本试验制得的纳米晶镍镀层失稳长大的起始温度为283.7℃,峰值温度为311.4℃。     

磁控溅射ZrN薄膜厚度对其色度的影响

采用中频非平衡磁控溅射技术在镜面不锈钢板上制备了ZrN薄膜,通过改变镀膜时间控制ZrN薄膜的厚度。用色差仪测定了不同厚度ZrN薄膜的L*,a*和b*值,绘制出不同厚度ZrN薄膜的L*,a*和b*值的变化曲线图,得出膜层厚度对薄膜色度的影响规律:膜层厚度低于63.7nm时,随着膜层厚度的增加,L*和a*值无变化,b*值呈线性递增,且颜色逐渐趋于金黄色;膜层厚度高于63.7nm时,随着膜层厚度的增加,薄膜颜色坐标未有明显变化,颜色为稳定的金黄色。     

工艺参数对离子束辅助沉积TiN薄膜性能的影响

为进一步提高牙科材料的生物相容性、耐磨性和耐腐蚀性能,将离子束辅助沉积制备TiN纳米薄膜技术引入到铁铬钼牙科材料的研究中,在Fe-Cr-Mo合金基体上制备了TiN薄膜.测定了表面膜层的显微硬度,在模拟口腔环境的溶液中,采用电化学方法,对经不同工艺参数沉积TiN薄膜的牙科用Fe-Cr-Mo合金的耐蚀性进行测试,并以未进行表面镀膜的Fe-Cr-Mo合金为对照.结果表明:经TiN镀膜处理的Fe-Cr-Mo软磁合金硬度明显增加,在口腔环境中的耐腐蚀性较未经表面镀膜处理的有明显提高.工艺参数不同,硬度增加的程度不同,耐蚀性差别也较大,当氮气流量为1.5mL/min,溅射时间为4h时,得到的膜厚为2μm,此时TiN膜硬度最高,在口腔溶液中耐腐蚀性最好.     

纳米TiN对WC-Co硬质合金组织和力学性能的影响

采用真空烧结方法制备添加纳米TiN的WC-Co硬质合金材料,研究不同添加量纳米TiN对硬质合金组织和性能的影响。结果表明:纳米TiN添加量未超过1%(质量分数)时,纳米粒子主要分布在晶界和相界处,可明显改善WC-Co硬质合金组织结构,并使硬质合金的抗弯强度和硬度得到提高。添加纳米TiN,不利于改善硬质合金的断裂韧性。纳米TiN添加量为1%时,材料的综合力学性能最好:抗弯强度1493MPa,硬度92.5,断裂韧性12.1MPa·m1/2。     

非平衡磁控溅射离子镀Cu-Nb纳米晶薄膜的微观结构及性能

研究了Nb含量对纳米晶Cu-Nb薄膜微观结构和性能的影响。使用非平衡磁控溅射离子镀技术,在具有(100)晶面的单晶Si基体和玻璃基体上制备不同Nb含量的Cu-Nb纳米晶薄膜,研究Nb含量对纳米晶Cu-Nb薄膜微观结构和性能的影响。将样品置于卧式真空退火炉中进行400 ℃退火,用配备了能量色散X射线光谱仪的场发射扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪和四探针电阻率测试仪等分析了退火前后薄膜的微观结构、力学性能与电学性能。结果表明,沉积态Cu-Nb薄膜表面由致密的纳米晶组成,表面粗糙度最高仅为8.54 nm,且无明显的孔洞和裂纹等缺陷。随着Nb含量的增加,薄膜的平均晶粒尺寸下降5 nm,薄膜的硬度也因细晶强化而有所增加,在靶电流为1.3 A时达到最大值4.9 GPa。退火态样品在硬度、弹性模量、平均晶粒尺寸和表面粗糙度方面与沉积态薄膜相比有较小的变化,Cu-Nb薄膜表现出优良的热稳定性。Nb的加入可有效细化晶粒,达到细晶强化的效果,同时Cu-Nb不互溶的特性使得纳米晶薄膜在高温下也可保持较好的热稳定性。Nb靶溅射电流为0.5 A 时薄膜综合性能最佳,此时沉积态Cu-Nb薄膜的电阻率最低,为3.798×10^-7 Ω/m,硬度和弹性模量高达4.6 GPa和139.5 GPa,薄膜厚度为1050 nm,粗糙度R_a为4.70 nm。     

离子源循环轰击对磁控溅射TiN薄膜结构和电学性能的影响

为研究离子源循环轰击对薄膜结构和电学性能的影响,通过离子源轰击辅助直流磁控溅射在200℃下沉积不同循环周期Ti N薄膜,采用场发射扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射仪表征薄膜表面形貌及组织结构。采用纳米压痕仪检测涂层的硬度和弹性模量。采用双电测四探针电阻仪测试室温下薄膜的电学性能。结果表明:离子源轰击在薄膜中形成了分层结构,膜层更加致密光滑,平均粗糙度由5.2 nm下降为2.7 nm。随着离子源循环轰击周期增加薄膜结晶性增强,并且当离子源循环轰击周期为3次时出现了Ti N(200)峰,薄膜硬度和弹性模量提高。当经过2次离子源循环轰击时薄膜电阻值最低为8.1μΩ·cm。     

工作气压对磁控溅射Mo膜的影响

采用直流磁控溅射沉积技术在不同工作气压下制备Mo膜,研究了工作气压对Mo膜的沉积速率、表面形貌及晶型结构的影响规律,研究表明:工作气压在0.1～0.5 Pa范围内,沉积速率基本保持不变,在0.5～1.5 Pa范围内沉积速率随工作气压的升高而增大;Mo膜的表面粗糙度随工作气压的升高而增加;不同工作气压下制备的Mo膜为立方...     

直流磁控溅射法在玻璃基片上制备TiN薄膜

采用直流反应磁控溅射法在玻璃片上制备了TiN薄膜,研究不同制备工艺条件与薄膜性能之间的关系。用紫外-可见光分光光度计测试了不同沉积时间和N2流量条件下TiN薄膜透光率;用X射线衍射仪分析了不同N2流量和溅射功率条件下TiN薄膜结构;用扫描电镜(SEM)观察了TiN薄膜的表面腐蚀形貌,用恒电位仪对TiN薄膜的耐腐蚀性进行了分析。结果表明:当沉积时间为2min,N2流量为15mL/min时,在可见光区有较高的透光率,在近红外区的透光率很低;当N2流量为15mL/min,溅射功率为4kW时,TiN薄膜的结晶最致密;当溅射功率为4kW时,TiN薄膜具有较好的耐腐蚀性。     

基体温度对磁控溅射TiN薄膜电化学性能的影响

采用直流反应磁控溅射方法在AISI 304不锈钢和Si(100)表面沉积了TiN薄膜,利用场发射扫描电镜、X射线衍射仪和电化学技术研究了基体温度对TiN薄膜结构与电化学性能的影响。结果表明:TiN薄膜为柱状结构,表面平整、致密,但基体温度高于300℃时膜表面存在微裂纹。薄膜为面心立方结构δ-TiN并存在择优取向,室温和150℃时的薄膜择优取向为(111)晶面,300℃和450℃时为(200)晶面;基体为室温时薄膜厚度为0.63μm,温度提高到150℃后膜厚增加到1μm左右,但继续升温对膜厚影响并不明显。薄膜在NaCl溶液中的腐蚀为点蚀,基体温度为150℃时的TiN薄膜具有最高的开路电位和点蚀电位以及最低的腐蚀速率,因此具有最佳的耐蚀性。     

反应磁控溅射法制备(Ti,Al)N薄膜的力学性能

以WF6和H2为原料,采用化学气相沉积法在纯铜基体上沉积出难熔金属钨涂层。分析研究了不同沉积温度(500℃,600℃,700℃)沉积层显微组织、表面形貌、表面粗糙度及相关机制。试验分析表明:随沉积温度升高,沉积速率加快,涂层组织柱状晶生长取向趋于杂乱;沉积层表面形貌发生明显改变,表面粗糙度显著增加。杂质颗粒对沉积组织有显著的影响,造成沉积表面粗糙度显著增加。     

磁控溅射法制备TiN/TiO2周期薄膜

采用直流反应磁控溅射法在Si(111)衬底上制备了不同周期数的TiN/TiO2周期薄膜。采用X射线衍射分析仪分析了薄膜的物相结构、原子力显微镜表征了薄膜的表面微观形貌,采用光催化降解甲基橙溶液来评价薄膜光催化性能。结果表明:所制备的TiN/TiO2周期薄膜结晶良好,薄膜由TiO2和TiN两种物相组成,TiO2均属于锐钛矿型。薄膜表面均匀致密,随着周期数的增加,薄膜表面粗糙度增加,1周期薄膜表面粗糙度(Ra)为1.652nm,5周期则为4.339nm,1周期薄膜均方根粗糙度(Rms)为2.138nm,5周期达5.738nm。薄膜具有显著的光催化性能,随着周期数的增加,TiN/TiO2薄膜的光催化性能逐渐增强,5周期薄膜对甲基橙溶液的降解率达到74%。结晶良好、表面均匀致密的具有光催化性能的TiN/TiO2周期薄膜的制备,为高质量TiN/TiO2周期薄膜的制备提供了参考。     

反应磁控溅射TiN/AlON纳米多层膜的微结构与显微硬度

采用Ti靶和Al2O3靶在Ar、 N2混合气氛中进行反应磁控溅射的方法,制备了一系列不同AlON层厚度的TiN/AlON纳米多层膜,利用EDS、XRD、HRTEM和微力学探针研究了AlON的形成条件以及AlON调制层厚的改变对多层膜生长方式和显微硬度的影响.结果表明,在Ar、N2混合气氛中对Al2O3进行溅射,N原子会部分取代Al2O3中的O原子,形成非晶态的AlON化合物.在TiN/AION纳米多层膜中,由于TiN晶体层的模板效应,AlON层在厚度小于0.6 nm时被强制晶化并与TiN形成共格外延生长结构,多层膜显示出最高硬度达40.5 Gpa的超硬效应;进一步增加AlON的层厚,其生长模式由晶态向非晶态转变,破坏了多层膜的共格外延生长结构,多层膜的硬度随之降低.     

高功率脉冲磁控溅射制备的TiN薄膜 应力释放及其结合稳定性研究

目的 探究高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）制备的氮化钛（TiN）薄膜在自然时效过程中,应力、薄膜/基体结合性能随时间的变化规律。方法 采用高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）技术,通过调控基体偏压（-50、-150 V）,制备出具有不同残余压应力（3.18、7.46 GPa）的TiN薄膜,并采用基片曲率法、X射线衍射法、划痕法和超显微硬度计评价了薄膜的应力、薄膜/基体结合性能、硬度随时间的变化规律。结果 在沉积完成后1 h内,-50 V和-150 V基体偏压下制备的TiN薄膜压应力分别在3.12~3.39 GPa和7.40~7.55 GPa范围内波动,薄膜压应力没有发生明显变化;沉积完成后1~7天,平均每天分别下降28.57 MPa和35.71 MPa;7~30天,平均每天分别下降2.08 MPa和2.50 MPa;30~60天内,平均每天分别下降1.67 MPa和7.00 MPa。其压应力连续下降,且均表现出前期下降速率快,后期下降逐渐放缓的趋势。自然放置60天后,应力基本释放完毕,薄膜性质基本保持稳定。同时,薄膜/基体结合性能随时间逐渐变差,薄膜硬度下降。结论 HPPMS制备的TiN薄膜在自然时效过程中,其残余应力会随时间增加,连续下降,进而影响薄膜的力学性能。