不同Ti含量的W—Ti—N复合膜的微结构及性能研究.pdf

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不同Ti含量的W—Ti—N复合膜的微结构及性能研究1 不同Ti含量的W—Ti—N复合膜的微结构及性能研究2 不同Ti含量的W—Ti—N复合膜的微结构及性能研究3 不同Ti含量的W—Ti—N复合膜的微结构及性能研究4 不同Ti含量的W—Ti—N复合膜的微结构及性能研究5
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2014年l2月第12期第23~27页材料工程JournalofMaterialsEngineeringDecember2O14—No.12PP.2327——不同Ti含量的WTiN复合膜的微结构及性能研究————StudyonMicrostructureandPropertiesofWTiNCompositeFilmswithDifferentTitaniumContent赵淑芳,喻利花,马冰洋,许俊华(江苏科技大学先进焊接技术江苏省重点实验室,江苏镇江212003)————ZHAOShufang,YULihua,MABingyang,XUJunhua(JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedWeldingTechnology,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,Jiangsu,China)—摘要:采用多靶反应磁控溅射技术制备一系列不同Ti含量的W_TiN复合膜。采用x射线衍射仪、扫描电镜、纳米压痕仪等检测方法对薄膜的微结构和力学性能进行表征。采用UMT-2功能摩擦试验机,在室温、大气环境、无润滑的条件——下对wTiN复合膜的摩擦性能进行评价,同时,探讨薄膜的致硬机理和摩擦机制。结果表明:Ti含量(原子分数,下同)为5~23.48时,薄膜硬度处于峰值区,硬度值最高可达39GPa,摩擦因数在0.4左右。当Ti含量高于23.48时,硬度随着Ti含量增加而下降,摩擦因数随Ti含量的增加而升高。——关键词:磁控溅射;WTiN复合膜;微结构;力学性能;摩擦性能—doi:10.11868/j.issn.10014381.2014.12.004中图分类号:TG174.44文献标识码:A——文章编号:10014381(2014)12-002305———Abstract:WTiNcompositefilmswithdifferenttitaniumcontentwerefabricatedbyreactivemagnetronsputteringtechnique.ThemicrostructureandmechanicalpropertiesoffilmswerecharacterizedbyXRD,SEMandCSM.TribologicalperformanceofthefilmswastestedonUMT一2multifunctionaltribometerintheconditionofroomtemperature,atmosphereenvironmentandwithout1ubrication.Atthesametime,themechanismsofhardnessenhancementandfrictionwerealsodiscussed.Theresultsshowthat,attitaniumcontent(atomfraction)of5一23.48,thehardnessofthefilmiSinthepeak—area,andthemaximumshardnessiSupto39GPa,frictioncoefficientiSabout0.4.WhentheTicon—tentishigherthan23.48,thehardnessdecreaseswithincreasingofthetitaniumcontent.Inaddition,thefrictioncoefficientincreases.——Keywords:magnetronsputtering;WTi~Ncompositefilm;microstructure;mechanicalproperty;tribologicalproperty各种过渡族金属氮化物,如TiN,ZrN和WN等由于其具有良好的性能,而被广泛用作工模具的保护涂层、材料的装饰涂层、微电子领域的扩散阻挡层以及生物领域等[1]。以TiN,CrN为代表的传统金属氮化物薄膜常被用作表面强化材料、工具的保护涂层以提高基体材料的表面性能[4]。其中,TiN涂层技术比较成熟,被广泛应用在高速钢刀具与模具上。然而,℃由于500以上急剧下降的抗氧化性能使其应用范围—受到限制l=7。近年来的研究表明[11133,在TiN系列中添加w,Al,si等元素可以进一步有效地改善力学性能。W-N属于一种难熔金属氮化物,具有高硬度、高—熔点、优良的化学稳定性等特性,基于这些特性WN薄膜已被研究用作大规模集成电路的扩散阻挡层、高——耐磨材料、光学材料及电极等_l。wN和wC都具有特殊的性能。它最初被应用于扩散阻挡层和半导体—等电子领域。20世纪9o年代后wN涂层开始了机械领域的应用研究[1。近年来的研究表明[1,将———Ti加入到wN中形成的wTiN薄膜具有较高的硬度和耐腐蚀性能,可以进一步改善其力学性能,从而延长切削刀具和电路电极的使用寿命。研究表明[1,w/Ti化学比例对其结构、抗氧化性、形貌以及力学性能等具有重要影响。然而这些研究大部分是使用复合——靶或镶嵌靶,制备的wTiN薄膜化学成分和靶材相第12期——不同Ti含量的wTiN复合膜的微结构及性能研究27—CoatTech,1999,l16119:l3314O.—E6]wUD,ZHANGz,FuW,eta1.Structure,electricalandchemicalpropertiesofzirconiumnitridefilmsdepositedbydereactive—magnetronsputtering[J].ApplPhysA,1997,64(6):593595.E7]SUEJA,CHANGTP.Frictionandwearbehavioroftitanium—nitride,zirconiumnitrideandchromiumnitridecoatingsatelevat——edtemperature[J].SurfCoatTech,1995。7677:6169.—[8]SAKAMOTOI,MARUNOS,JINP.Preparationandmicro—structureofreactivelysputteredTilxZrxNfilm[J].ThinSolid—Films,1993,228:169179.—r9]MEIFH,DONGYS,LIYR,eta1.Microstructureandmechanicalpropertiesof(Ti,A1)(O,N)filmssynthesizedbyreactivesputtering[J].MaterialsLetters,2006,6O:375378.—[1O3JIANGN,SHENYG,ZHANGHT,eta1.Superhardnano————compositeTiA1-Si。Nfilmsdepositedbyreactiveunbalancedmagnetronsputtering[J].MaterialScienceandEngineeringB,—2006,135(1):19.—[11]MATTHESB,BROSZEITE,KIOOSKH.Tribologicalbe——haviorandcorrosionperformanceofTi-B-Nhardcoatingsunder—plasticmanufacturingconditions[J].SurfaceandCoatingsTech——nology,1993,57(23):97104.——[12]农尚斌,喻利花,许俊华.TisiN复合膜的微结构及性能研究—[J].表面技术,2008,37(2):4549.———N0NGShangbin。YULihua.XUJunhua.Microstructureand—‘———propertiesofTiSiNnano。compositesdepositedbymagnetronsputtering[J].SurfaceTechnology,2008,37(2):4549.[13]董松涛,喻利花,董师润,等.磁控共溅射制备锆一硅一氮复合薄膜—的显微组织与性fl ̄EJ].机械工程材料,2008,32(9):5458.————D0NGSongtao,YULihua,DONGShirun,eta1.Micro—structureandpropertiesofZr-SiNcompositefilmspreparedby—reactivemagnetroncosputtering[J].MaterialsforMechanical—Engineering,2008,32(9):5458.—[14]YuBH,WANGCL,SONGXY.Structuralstabilityandme—chanicalpropertyofWNfromfirstprinciplescalculations[J].J——AlloyCompd,2009,487(12):556559.r15]0SPINAR,CASTILLOHA,BENAVIDESV,eta1.Influence—oftheannealingtemperatureonacrystalphaseofW/WCbilayersgrownbypulsedarcdischarge[J].Vacuum,2006,81(3):373—377.r16]UEKUBOM,OKUT,NIIK,eta1.WNdiffusionbarriersbe—tweenSiandCuE1].ThinSolidFilms,1996,286(12):170一I75.[17]王明霞,肖楠,李德军.薄膜的合成及其结构和性能的研究[J].—功能材料,2008,39(增刊):391393.—WANGMingxia,XIA0Nan,LIDe-jun.Astudyofsynthesis,—structureandpropertyofWTiNcoatings[J].JournalofFunc—tionalMaterials,2008,39(Supp1):391393.r18]RAMAROTAFIKAH,LEMERIEREG.Influenceofad.c.substratebiasontheresistivity,composition,erystallitessize[19][203[21][22][23][24][253[26][27]andmicrostrainofWTiandwTiNfilms[J].ThinSolidFilms,—1995,266(2):267273.CAVALEIRoA,TRINDADEB,VlEIRAMT.InfluenceofTi——additiononthepropertiesofWTiC/Nsputteredfllms[J].Sur——faceandCoatings,2003,174175:6875.——喻利花,薛安俊,董松涛,等.si含量对TiA1一siN薄膜微结构与—力学性能的影响[J].材料热处理学报,2010,31(7):140145.———YULihua,XUEAnjun,DONGSongtao,eta1.Influenceof—‘——SicontentonmierostructureandmechanicalpropertyofTiA1—siNfilms[J].TransactionsofMaterialsandHeatTreatment,2O10,31(7):14O一145.汪蕾,董师润,尤建飞,等.Ti(C,N)复合膜和TiN/Ti(C,N)多层膜组织和显微硬度[J].材料热处理学报,2o10,31(2):113一ll8.———WANGLei,DONGShirun,Y0UJianfei,eta1.Microstructureandmicr0hardnessofTi(C,N)andTiN/Ti(C,N)muhilayerfilms[J].TransactionsofMaterialsandHeatTreatment,—2O10,31(2):113118.—BUIISJ,BHATDG,STAIAMH.Propertiesandperform—anceofcommercialTiCNcoatings.part2:tribologicalperform—ance[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2003,163164:507—514.L0UR0C,CAVAIEIR0A.Hardnessversusstructurein——wsiNsputteredcoatings[J].SurfCoatTechnol,1999,116一—l19(1):7480.徐哲,席慧智,阮霞,等.磁控溅射TiN薄膜工艺参数对显微硬度—的影响[J].应用科技,2007,34(5):13.——XUZhe,XIHuizhi,RUANXia,eta1.Theinfluenceofmag—netronsputteringTiNfilmsprocessingparametersonmicrohard—ness[J].AppliedScienceandTechnology,2007,34(5):13.—POICART.PARREIRANMG.CAVALEIR0A.Tribologi—calcharacterizationoftungstennitridecoatingsdepositedbyre—activemagnetronsputtering[J].wear,2007,262(56):655665.—MENGJunhu,LUJinjun,WANGJingbo,eta1.Tribological—behaviorofTiCNbasedcermetsatelevatedtemperatures[J].——MaterialsScienceandEngineering,2006,418(12):6876.—SILVAPN,DIASJP,CAVAIEIROA.Tribologicalbehav——iourofWTiNsputteredthinfilms[J].Surface&Coatings—Technology,2005,200(14):186191.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51074080);江苏省自然科学基金资助项目(BK2008240)————收稿日期:20120814;修订日期:20140429通讯作者:许俊华(1962一),男,教授,研究方向:主要从事纳米科学与技术、薄膜材料物理和化学以及薄膜磁性材料等领域的研究工作,联系地址:江苏省镇江市京口区梦溪路2号江苏科技大学材料学院(212003),E-mail:jhxu@just.edu.cn
布丁老师
该用户很懒,什么也没介绍
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