基片偏压模式对高功率脉冲磁控溅射CrN薄膜结构及成分影响研究

针对高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）的缺点,结合沉积技术（PBII&D）技术,提出了一种新的处理方法——高功率脉冲磁控放电等离子体离子注入与沉积技术（HPPMS-PIID）。本实验采用该技术在不锈钢基体上制备了CrN薄膜,分别采用3种偏压模式：无偏压、–100 V直流偏压和–15 kV脉冲偏压,对比研究了CrN薄膜形貌、结构、成分及性能发生的变化。结果表明：该方法制备的薄膜表面平整、晶粒排列致密,呈不连续的柱状晶生长。相结构单一,主要是CrN (200)相。由于负高压脉冲将大部分进入鞘层的离子都吸引到工件沉积,薄膜沉积速率得到较大提高。另外强烈的高能离子的注入与轰击,使得薄膜的结合力高达57.7 N。     

HiPIMS技术低温沉积CrN薄膜结构及性能研究

目的 实现性能优异的CrN薄膜在低温沉积条件下的可控制备。方法 利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS),通过调控脉冲放电波形(可调控脉冲放电模式-MPP、双极脉冲放电模式-BPH)制备了系列低温沉积工艺下的CrN薄膜。选用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米硬度测试仪及球盘摩擦试验仪表征了CrN薄膜的组织结构、微观形貌、摩擦学性能。结果 相对于传统的直流磁控溅射技术(DCMS),HiPIMS具备高溅射材料离化率,偏压作用下产生的荷能离子对成膜表面的持续轰击作用,有效提升了低温沉积条件下成膜粒子的表面迁移能,显著抑制了贯穿柱状晶的连续生长,达到了细化晶粒,改善薄膜致密性的目的。BPH模式下沉积的薄膜表面光滑致密,表面粗糙度可达4.6 nm。细晶强化作用及薄膜致密性提升使得BPH模式下制备的CrN薄膜硬度最高,可达(15.6±0.8) GPa。此外,BPH模式下沉积的CrN薄膜具备最为优异的摩擦学性能,摩擦系数低(~0.3)且运行平稳,并且在高速及重载作用下,仍能表现出优异的摩擦磨损性能。结论 HiPIMS技术中的双极脉冲放电模式可显著提升沉积粒子表面迁移能,提升CrN薄膜沉积反应动力学过程,实现低温条件下性能优异的CrN薄膜的可控制备。     

直流和高功率磁控溅射制备氮化铬薄膜及其结构性能比较

目的 比较直流磁控溅射（DCMS）和高功率磁控溅射（HiPIMS）两种沉积技术制备的氮化铬（CrN）薄膜的结构和性能。方法 采用DCMS和HiPIMS沉积技术,在金属镍（Ni）基底上沉积CrN薄膜,采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和显微硬度计等仪器,分析CrN薄膜的晶相结构、表面以及截面形貌、基底与薄膜复合硬度、摩擦性能等。结果 XRD晶体测量显示DCMS制备的CrN薄膜在(111)晶面择优生长,内应力大;而HiPIMS制备的CrN薄膜为(200)晶面择优生长,内应力小。SEM显示两种方法制备的CrN薄膜都呈柱状晶体结构生长,但HiPIMS沉积的CrN薄膜颗粒尺寸较小,柱状晶体结构和晶粒更致密。硬度测量得到HiPIMS制备的CrN薄膜显微硬度为855.9HV,而DCMS制备的CrN薄膜显微硬度为501.5HV。此外,DCMS制备的CrN薄膜平均摩擦系数为0.640,而HiPIMS制备的CrN薄膜摩擦系数为0.545,耐磨性也好。HiPIMS制备的CrN薄膜的腐蚀电流比DCMS制备的CrN薄膜低1个数量级。结论 HiPIMS沉积技术制备的CrN薄膜颗粒尺寸小,结构更致密,且缺陷少、硬度高、防腐蚀性好,薄膜各项指标都优于DCMS沉积的CrN薄膜。     

双极高功率脉冲磁控溅射技术薄膜制备研究进展EI北大核心CSCD

双极高功率脉冲磁控溅射技术(BP-HiPIMS)在保持靶材粒子高离化率的同时,通过调节“泵出”脉冲电压,控制离子能量和流量,从而改善薄膜的性能,正在得到工业界的广泛关注。在无法施加基体偏压的绝缘基体或薄膜的制备上,BP-HiPIMS拥有更加显著的优势,同时基体接地可以克服悬浮基体快速充电的问题,从而有助于沉积离子向下游扩散增能。BP-HiPIMS选择相对较短的正负脉冲间隔时间、负脉冲持续时间以及较高的正脉冲电压幅值,有利于优化薄膜的性能。近年来国内外学者应用BP-HiPIMS技术制备薄膜取得了显著的成果。相对于常规HiPIMS,BP-HiPIMS所制备的铜膜(Cu)、类金刚石碳基薄膜(DLC)、氮化钛薄膜(TiN)、氮化铬薄膜(CrN)等都表现出更加优异的力学性能,而不同工艺下薄膜沉积速率的变化在不同试验中存在分歧,其影响机制有待进一步探索。     

65Mn钢基体CrTiAlN微纳米复合膜的制备与抗高温磨损性能研究

采用多弧离子镀在活塞环65Mn钢基体表面制备CrTiAlN微纳米复合膜,研究了CrNx过渡缓冲层与工作负偏压对CrTiAlN微纳米复合膜性能的影响规律,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、划痕仪、纳米硬度仪和发动机台架试验装置,系统分析了薄膜相结构、表面形貌、纳米硬度和抗高温摩擦磨损性能。结果表明:当N2含量为45%时,CrNx薄膜中主要以CrN(220)相为主,此时复合膜结合强度相对较高;复合膜厚度随负偏压增大而减小,纳米硬度随负偏压增大而增大,当偏压为–200V时,CrTiAlN微纳米复合膜的晶粒较为细小。采用优化工艺沉积的CrTiAlN复合膜具有优异的抗高温粘着磨损性能,优于CrN膜和电镀Cr,最后对3种活塞环涂层的抗高温磨损机理进行了分析讨论。     

双脉冲HiPIMS放电特性及CrN薄膜高速率沉积

提出了一种新型的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术,即放电由脉宽短、电压高的引燃脉冲和脉宽长、电压低的工作脉冲2部分组成的双脉冲高功率脉冲磁控溅射技术,目的是解决传统高功率脉冲磁控溅射沉积速率低的问题。研究了引燃脉冲电压及传统高功率脉冲磁控溅射条件对Cr靶在Ar气气氛下的放电特性的影响,并制备CrN薄膜。结果表明:随着引燃脉冲电压的施加,双脉冲高功率脉冲磁控溅射Cr靶放电瞬间建立,并获得较高的峰值电流,而传统HiPIMS模式的输出是渐渐爬升的三角波电流;与传统高功率脉冲磁控溅射相比,单位功率下双脉冲高功率脉冲磁控溅射具有更高的基体电流积分以及更多的Ar~+和Cr~0数量;引燃脉冲电压为590 V时,双脉冲高功率脉冲磁控溅射单位功率下CrN薄膜沉积速率为2.52μm/(h·kW),比传统高功率脉冲磁控溅射提高近3倍。     

高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜研究进展

非晶碳薄膜主要由sp3碳原子和sp2碳原子相互混杂的三维网络构成,具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀以及化学稳定性等优异性能。然而传统制备方法难以实现薄膜结构及其性能的综合调控,高功率脉冲磁控溅射因其离子沉积特性受到领域内专家学者的关注。总结了近年来关于高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜材料的研究进展。重点介绍了高功率脉冲磁控溅射石墨靶的放电特性,指出了其在沉积非晶碳薄膜过程中获得高碳原子离化率的条件。针对离化率和沉积速率低,主要从提高碳原子离化率和碳离子传输效率等角度,介绍了几种改进的高功率脉冲磁控溅射方法。并对比了不同高功率脉冲磁控溅射方法中的碳原子离化特征、薄膜沉积速率、结构和力学性能。进一步地,探讨了高功率脉冲磁控溅射在制备含氢非晶碳薄膜和金属掺杂非晶碳薄膜中的优势及其在燃料电池、生物、传感等前沿领域的应用。最后,对高功率脉冲磁控溅射石墨靶的离子沉积特性、非晶碳薄膜制备及其应用研究趋势进行了展望。     

用于发动机活塞环表面涂层的CrN薄膜

设计了一套电子源辅助中频孪生非平衡磁控溅射装置,在单晶硅、高速钢、硬质合金衬底上制备了CrN,研究了气体流量、衬底偏压、溅射功率对薄膜结构和性能的影响.X射线衍射表明,在N2/(N2+Ar)比例低于60 %时,CrN薄膜呈明显的 (200) 结构,当N2/(N2+Ar)高于60 %时,出现含Cr2N的多晶结构.沉积速率在8.5～12.5 mm/h之间,显微硬度为10～18 GPa.衬底偏压对沉积速率、薄膜结构和显微硬度都有重要影响.在较低偏压下得到的薄膜以CrN(200)为主;在较高偏压下出现(200)和(111)相.AFM和SEM测试表明,在较低偏压下沉积的样品呈纤维状微结构,在Vb>25 V时,样品呈现柱状结构.CrN涂层的沉积速率和力学性能基本达到了发动机活塞环表面涂层的要求.     

基体偏压对高功率脉冲磁控溅射制备CrAlN薄膜性能的影响

为了防止氢扩散导致金属材料的失效,通常在其表面制备一层CrN阻氢薄膜。但是CrN涂层的热稳定性较差,抗氧化温度低于600℃。采用高功率脉冲磁控溅射技术,利用Cr和Al双靶共沉积CrAlN薄膜来提高其高温抗氧化性能。试验变量为基体负偏压的大小,分别为-100 V、-200 V、-300 V和-400 V。结果表明,四组CrAlN薄膜均为柱状晶结构,随着基体偏压提高,膜层的致密度提高,但同时薄膜沉积速率下降;CrAlN薄膜的择优生长方向为Cr(200)晶面法线方向。四组CrAlN薄膜的氢抑制率均超过70%,氢原子扩散系数最低比316L不锈钢基体低3个数量级。当基体偏压为-300 V时,可以同时获得最优的氢抑制率(87.4%)和最低的氢原子扩散系数(6.188×10^-10 cm²/s)。600℃、氧气气氛下保温60 min,CrAlN膜基结合面处氧含量仅为表面处的30%左右。相比于CrN薄膜,在相同基体偏压下,CrAlN薄膜的氢原子扩散系数更小;高偏压下制备的CrAlN薄膜氧增重量仅为316L不锈钢基体的10%,抗氧化性能更好。     

脉冲偏压对复合离子镀(Ti,Cu)N 薄膜结构与性能的影响

目的 (Ti,Cu)N薄膜是一种新型的硬质涂层材料,关于其结构和性能的研究报道还较少。研究脉冲偏压对(Ti,Cu)N薄膜结构与性能的影响规律,以丰富该研究领域的成果。方法将多弧离子镀和磁控溅射离子镀相结合构成复合离子镀技术,采用该技术在不同脉冲偏压下于高速钢基体表面制备(Ti,Cu)N薄膜。分析薄膜的微观结构,测定沉积速率及薄膜显微硬度,通过摩擦磨损实验测定薄膜的摩擦系数。结果在不同偏压下获得的(Ti,Cu)N薄膜均呈晶态,具有(200)晶面择优取向,当脉冲偏压为-300 V时,薄膜的择优程度最明显。随着脉冲偏压的增加,薄膜表面大颗粒数量减少且尺寸变小,表面质量提高;沉积速率呈现先增大、后减小的趋势,在脉冲偏压为-400 V时最大,达到25.04 nm/min;薄膜硬度也呈现先增大、后减小的趋势,在脉冲偏压为-300 V时达到最大值1571.4HV。结论脉冲偏压对复合离子镀(Ti,Cu)N薄膜的表面形貌、择优取向、沉积速率和硬度均有影响。     

偏压对电弧离子镀CrNx薄膜结构和机械性能的影响

采用电弧离子镀技术在不锈钢基体表面制备了CrNx薄膜,并采用场发射扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、球-盘式摩擦磨损试验机等手段对在不同偏压下沉积的CrNx薄膜的表面形貌、相结构、显微硬度和摩擦学性能进行考察.结果表明:随着偏压的增加, CrNx薄膜沉积率下降,厚度降低,CrNx薄膜表面颗粒逐渐变少,表面粗糙度降低,结晶度增大,晶粒尺寸增加;CrNx薄膜由Cr2N相和CrN相组成,薄膜的择优取向发生较大变化.当偏压为-100V时,CrNx薄膜的表面结构最致密,硬度最高,抗磨损性能最强.     

直流偏压对铝合金表面高功率脉冲磁控溅射沉积钒薄膜耐蚀性的影响

采用高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)法,在工业纯铝基体上生长得到V薄膜,研究不同直流偏压对薄膜相结构、形貌及不同温度处理对耐蚀性的影响。结果表明,薄膜相结构为单一的V(111)相。薄膜表面光滑、平整,且随偏压的增大,薄膜表面粗糙度先减小后增大,最小仅为0.488nm。薄膜沉积过程中离子吸引效应和溅射效应的竞争导致薄膜沉积速率随着偏压的增大先减小后增大。20℃时镀V薄膜样品在偏压为-100V时耐蚀性最佳,其腐蚀电位比基体提高了0.425V,腐蚀电流下降了2个数量级以上。镀V薄膜样品经过200和300℃加热处理后,其耐蚀性提高,但是与基体相比,经200℃处理后的镀V薄膜样品腐蚀电流最大降低了1个数量级,而经300℃处理后的镀V薄膜样品耐蚀性与基体相比提高并不明显。     

高结晶度CrN纳米粒子掺杂的DLC薄膜的显微结构及力学性能

采用高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积(HPPMS-PIID)和常规直流磁控溅射复合的方法设计制备了包含高结晶度的CrN纳米粒子的DLC薄膜,并对不同C靶电流时制备的CrN-DLC薄膜的形貌、结构及性能进行了研究.结果表明,随C靶电流的增加,薄膜中的含C量增加,在较高的C含量时形成了明显的DLC薄膜特征,掺杂相主要成分为高度200择优取向的CrN纳米晶,其最小晶粒尺寸为42.39 nm.薄膜中的C主要以C-sp~2,C-sp~3和CN-sp~3键的形式存在,sp~3键的总含量为sp~2总含量的44.8%.所制备的薄膜具有很好的膜基结合力(临界载荷Lc=66.8 N)和较高的纳米硬度(最高达24.3 GPa).     

同步脉冲偏压对Hi PIMS技术低温沉积CrN涂层结构及性能影响

针对高性能CrN涂层无法实现低温可控制备的技术瓶颈,利用具备高溅射材料离化率的高功率脉冲磁控溅射技术,调控同步脉冲偏压,改善涂层生长动力学条件,实现CrN涂层的低温可控沉积。开展同步脉冲偏压与涂层化学组成、组织结构、力学、摩擦学及耐腐蚀性能间关联关系研究。同步脉冲偏压在提升沉积离子束流迁移能的同时可显著降低荷能Ar+对成膜表面的持续轰击作用,达到改善涂层致密性及膜基结合力的目的。此外,沉积CrN涂层晶粒细化显著,硬度及弹性模量明显升高,最高可达13.8 GPa、236.7 GPa。涂层力学性能优化及致密性提升显著改善了摩擦学与耐腐蚀性能,涂层磨损率最低可达2.49×10^-15m³/(N·m),同时涂层可耐受120h中性盐雾腐蚀环境考核。为实现高性能CrN涂层的低温可控制备,扩展其在温度敏感基体领域的适用范围提供了新的设计思路与技术支撑。     

脉冲偏压占空比对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和硬度的影响

目的研究脉冲偏压占空比对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和硬度的影响规律。方法利用脉冲偏压电弧离子镀的方法,改变脉冲偏压占空比,在M2高速钢表面制备5种TiN/TiAlN多层薄膜,对比研究了薄膜的微观结构、元素成分、相结构和硬度的变化规律。结果 TiN/TiAlN多层薄膜表面出现了电弧离子镀制备薄膜的典型生长形貌,随着脉冲偏压占空比的增加,薄膜表面的大颗粒数目明显减少。此外,脉冲偏压占空比的增加还引起多层薄膜中Al/Ti原子比的降低。结论 TiN/TiAlN多层薄膜主要以(111)晶面择优取向生长,此外还含有(311),(222)和(200)晶相结构。5种多层薄膜的纳米硬度均在33GPa以上,当脉冲偏压占空比为20%时,可实现超硬薄膜的制备。     

脉冲偏压对电弧离子镀TiCN薄膜组织结构的影响

目的改善TiCN薄膜的组织结构,进一步提高其硬度与结合力。方法采用电弧离子镀技术,通过改变脉冲偏压的幅值,制备一系列的TiCN薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜的表面和截面形貌,采用X射线衍射(XRD)对薄膜进行物相分析,用X射线光电子谱(XPS)表征元素的化学状态,通过能谱仪(EDS)分析薄膜的成分。采用显微维氏硬度计测量薄膜硬度,使用3D轮廓仪测量薄膜厚度,利用多功能材料表面性能试验仪进行划痕测试。结果偏压对薄膜的硬度、结合力、组织结构和沉积速度都有影响。随着脉冲偏压的提高,TiCN薄膜晶粒逐渐细化,沉积速率、结合力有先增大后减小的趋势,TiCN薄膜的硬度保持线性提高。偏压为-200 V时,TiCN薄膜出现C_3N_4新相,此时薄膜的硬度和结合力都大幅度提高,表面形貌发生突变,液滴最多。偏压为-250 V时,TiCN薄膜综合性能最好,并且表面的液滴明显减少,此时硬度值为4017HV,结合力为51 N。结论偏压对组织结构及碳元素在薄膜中的存在形式有一定影响,适当地改变脉冲偏压可以使TiCN薄膜的显微组织更加致密,同时,形成的弥散硬化相使薄膜具备较高的硬度和膜基结合强度。     

脉冲负偏压增强的高质量金刚石薄膜的沉积

由于直流偏压方法沉积金刚石薄膜易出现电荷积聚现象，从而影响了薄膜的均匀性。本文采用脉冲负偏压增强热丝化学气相沉积(HFCVD)法，以WC—Co硬质合金为衬底制备金刚石薄膜，探讨了在不同频率脉冲直流偏压(500∽5000Hz)T，脉冲偏压对金刚石薄膜的均匀性、致密性和晶粒度的影响，并且讨论了脉冲偏压作用的机理。对沉积的金刚石薄膜进行SEM、XRD和Raman分析。结果表明，采用500Hz脉冲偏压可获得高质量的金刚石薄膜，薄膜的晶粒度小，均匀性和致密性较好。     

磁过滤阴极弧法制备CrCN薄膜结构与组分研究

目的通过磁过滤阴极弧沉积技术制备质量优异的CrCN涂层。研究乙炔/氮气混合气体流量以及基底偏压对薄膜结构和成分的影响。方法采用磁过滤真空阴极弧沉积技术,在20~100 m L/min变化的乙炔/氮气混合气体流量参数下沉积CrCN复合薄膜。通过X射线衍射、场发射电子显微镜、扫描探针显微镜、X射线光电子能谱仪、透射电镜,对薄膜的物相结构和形貌进行分析。结果随着气体流量的增加,CrCN复合薄膜的晶粒逐渐减小最终向非晶化转变。TEM结果表明,在CrCN复合薄膜中有大量几纳米到十几纳米的纳米晶浸没在非晶成分中。SPM表明,随着基底偏压由–200 V增大到–150 V,CrCN薄膜的表面粗糙度Sa由0.345 nm上升至4.38 nm。XPS、TEM和XRD数据表明,薄膜中Cr元素主要以单质Cr、Cr N以及Cr3C2的形式存在。结论采用磁过滤真空阴极弧沉积技术制备的CrCN复合薄膜具有纳米晶-非晶镶嵌结构。该方法沉积的CrCN薄膜的表面粗糙度与基底负偏压有关。混合气体的流量变化对薄膜组分的变化几乎无影响。     

脉冲偏压对贫铀表面磁控溅射CrN_x薄膜结构与性能的影响

为改善金属铀基体的抗腐蚀性能,采用非平衡磁控溅射离子镀技术在不同偏压下于金属铀表面制备CrNx薄膜。采用SEM和AFM研究了薄膜形貌和表面粗糙度,采用X射线光电子能谱研究了薄膜表面的元素分布及化学价态。试验结果表明,采用磁控溅射在较低脉冲偏压下沉积的CrNx薄膜晶粒较细小,偏压越高,表面粗糙度越大。生成的薄膜为Cr+CrN+Cr2N混合结构,并含有少量的Cr2O3,随着偏压的升高,金属态Cr的含量减少,而铬的氮化物的含量增加,所制备薄膜的自然腐蚀电位升高,腐蚀电流密度减小。偏压为-800 V时,所制备的薄膜具有较好的抗腐蚀性能。     

脉冲偏压对TiAlCN薄膜结构与力学性能的影响

利用多弧离子镀-磁控溅射复合技术通过改变脉冲偏压在Si片与SS304基体表面制备了TiAlCN薄膜,研究了不同脉冲偏压对薄膜结构和力学性能的影响。薄膜成分、表面形貌、相结构及力学性能分别利用能量弥散X射线谱(EDS)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和纳米压痕仪等设备进行表征。结果表明,随着脉冲负偏压的增加,薄膜中Ti元素的含量先减小后增大,而Al元素有相反的变化趋势。适当增大脉冲偏压,薄膜表面颗粒、凹坑等缺陷得到明显改善。物相分析表明TiAlCN薄膜主要由(Ti,Al)(C,N)相,Ti4N3-x相和Ti3Al相组成。薄膜平均硬度与弹性模量随脉冲负偏压的增加先增大后减小,在负偏压-200 V时达到最大值分别为36.8 GPa和410 GPa。