层厚比对磁控溅射Cr／CrN多层涂层组织和性能的影响.pdf

!\"#$年##月第##期!第!G%YY页材!料!工!程\'()*+,-(./,01*2,-34+52+11*2+5!6(71891*!\"#$6(:##!;;:!G%YY层厚比对磁控溅射?(#?(A多层涂层组织和性能的影响4..1@0(.R,D1*VC2@Z+133X,02((+/2@*(30*)@0)*1,+=_*(;1*0213(./,5+10*(+U;)001*1=F*#F*6/)-02-,D1*F(,02+53谈淑咏#!!!吴湘君Y!张旭海Y!张!炎#!!!蒋建清Y!朱雪锋!!江先彪!\"#江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室!南京!###&\\#!南京工程学院材料工程学院!南京!###&\\#Y东南大学材料科学与工程学院!南京!###GH$VB6UC)MD(+5#!!!`ET2,+5MW)+Y!QJB6KT)MC,2Y!QJB6Kb,+#!!!\'SB6K\'2,+MN2+5Y!QJET)1M.1+5!!\'SB6KT2,+M92,(!\"#\'2,+53)O1DR,9(*,0(*D(.B=7,+@1=U0*)@0)*,-/,01*2,-3,+=B;;-2@,02(+V1@C+(-(5D!6,+W2+5!###&\\!FC2+,#!U@C((-(./,01*2,-3U@21+@1,+=4+52+11*2+5!6,+W2+5S+3020)01(.V1@C+(-(5D!6,+W2+5!###&\\!FC2+,#YU@C((-(./,01*2,-U@21+@1,+=4+52+11*2+5!U()0C1,30E+271*320D!6,+W2+5!###GH!FC2+,$摘要!在超高真空磁控溅射仪上!制备了一系列具有相同调制周期不同层厚比的F*(F*6涂层&用T射线衍射仪分析了涂层的相组成!通过扫描电镜观察了涂层形貌!采用显微硬度计测试了涂层硬度!在划痕仪上确定涂层和基体间的结合力!并利用磨损仪测量涂层的摩擦磨损性能&结果表明\'调制周期为$\"\"+8时!当层厚比由!:\"减小到\":!!F*(F*6多层涂层始终由F*和F*6两相组成!涂层择优取向为F*6\"!\"\"$!且涂层变得愈加致密!硬度从#II\"Ja增大到!Y\"\"Ja!磨损率从!:$^#\"%G88Y-6%#-8%#减小为\":&^#\"%G88Y-6%#-8%#!涂层和基体结合性能优良&关键词!F*(F*6多层涂层#层厚比#硬度#磨损率!\"#\'#\":##G&G(W:233+:#\"\"#M$YG#:!\"#$:##:\"\"I中图分类号!V*(A,+模型)##*和固溶体致硬等&虽然模型不同!但都着眼于界面强化&这些模型针对不同的研究对象能对多层涂层硬化给出一定程度的解释!对硬质多层涂层的设计有一定的指导意义&但由于纳米多层涂层种类繁多!结构各异!形成的组织结构和界面极其复杂!导致其制备工艺%界面结第##期层厚比对磁控溅射F*(F*6多层涂层组织和性能的影响合%显微组织的控制等很多问题还没有弄清楚!也必然会给致硬机理的深入研究带来困难&近几年!对F*6(F*B-6!V26(/(U8!B-6(Q*6(B-6!B-6(F*6!V26\"或F*6!a6!U26$(V2B-6等多层涂层的研究很多)#!%#$*!主要探讨涂层的磨损机理%硬化机理%氧化行为等方面!并致力于开发新的纳米涂层&F*6涂层具有相当的硬度%内应力低%韧性和耐腐蚀性好%热稳定性高等特点!不但可作为耐磨涂层用于工模具和切削工具的表面强化!而且在表面防腐和装饰等许多工业领域也有重要用途&但直流磁控溅射法制备的F*6单层涂层结构较为疏松!硬度较低)#I!#&*!本工作拟采用F*(F*6多层结构涂层的设计思路!期望通过引入多层结构可以提高涂层性能&实验选择软金属F*层对F*6层进行多层化!主要基于多层涂层的膜基结合和韧性这一考虑!多层结构的设计主要是通过改变调制周期和层厚比这两个重要参数加以实现的&通过研究层厚比对F*(F*6多层涂层组织结构%力学性能的影响规律!优化涂层制备工艺参数!为此类涂层的工业化生产及应用提供一定的依据&/!实验材料与方法实验采用\'K_$I\"B!型超高真空磁控溅射仪制备F*(F*6多层涂层&基片为镜面Y\"$不锈钢!靶材为纯度HH:Gj的F*\"尺寸为&G\"88^I88$&在不锈钢基底上先沉积F*层!然后沉积F*6层!随后使这一过程交替进行!最终形成F*(F*6多层涂层&其中!F*层沉积气氛为氩气!气流量为#\"3@@8!F*6沉积气氛为氩气和氮气的混合气体!气流量分别为#\"3@@8和!Y3@@8&沉积过程中工作气压为\":I_,!基底负偏压为!\"\"a!功率为#I\"`&溅射过程中靶基距均为&\"88!基底由水冷却&实验中!设定调制周期为$\"\"+8\"即单一F*层和F*6层的厚度之和为$\"\"+8$!通过对F*层和F*6层沉积时间的控制!调节层厚比\"即F*6层厚度(\"F*6层dF*层厚度$$分别为\":!!\":I!#:\"和!:\"!具体参数如表#所示&表/!?(#?(A多层涂层沉积参数V,9-1#!L1;(3201=;,*,8101*3(.F*(F*68)-02-,D1*@(,02+53R,D1*0C2@Z+133*,02(VC2@Z+133(.F*-,D1*(+8VC2@Z+133(.F*6-,D1*(+8FD@-1/(=)-,02(+@D@-1(+8\":!&&YY$\\$\"\"\":I#YY!&&\\$\"\"#:\"!\"\"!\"\"\\$\"\"!:\"!&&#YY\\$\"\"!!涂层采用LGLSUF>a4X型T射线衍射仪\"TXL$进行物相分析!选用的辐射源为铜O\'!)]#:I$\"&+8!管电压为$\"Za!管电流为$\"8B!采用连续扫描的方式!!%角扫描范围为Y\"!GIe&显微硬度测试在P/M\\\"\"数字式显微硬度计上进行!载荷为\":\"HG6!测试&点取平均值&在中科院兰州化物所生产的`UM!\"\"I薄膜附着力自动划痕仪上测得涂层与基体的结合强度\"临界载荷$!并用金相显微镜观察划痕形貌&利用`V/M!4磨损仪测量涂层的摩擦磨损性能!对磨材料为U2Y6$球!加载载荷为#\"\"5!摩擦速率为\":!I8(3!摩擦实验在湿度为I\"j!温度为!Ih的环境下进行&利用L1Z0,ZYUV型台阶仪测量磨痕深度及磨痕宽度!计算出总的磨损体积!通过磨损率来评价涂层的耐磨性&采用U2*2(+场发射扫描电子显微镜\"U4/$观察涂层的组织形貌及磨痕形貌!利用其附带的能谱仪测定成分&0!结果与分析04/!层厚比对?(#?(A多层涂层相结构的影响图#是具有不同层厚比的F*(F*6多层涂层的TXL谱图&由图可见!单层F*6涂层主要由.@@MF*6单相构成!呈现明显的\"!\"\"$择优生长#多层涂层均由.@@MF*6和9@@MF*两相组成!其中F*6以\"!\"\"$峰为主!F*以\"##\"$峰为主&加入缓冲层F*层后!涂层的择优取向仍主要为F*6\"!\"\"$&单层氮化物薄膜经过多层化形成金属(氮化物多层膜后!多层薄膜的择优取向不会发生改变这一现象在多种涂层中已发现!如电弧离子镀F*(F*6多层膜)#\\*%V2(V26及B-(V26薄膜)#G*&但随着层厚比从!:\"降至\":!!F*6\"!\"\"$衍射图#!不同层厚比F*(F*6多层涂层TXL谱图!\",$单层F*6#\"9$层厚比!:\"#\"@$层厚比#:\"#\"=$层厚比\":I#\"1$层厚比\":!P25:#!TXL;,001*+3(.F*(F*68)-02-,D1*@(,02+53A20C=2..1*1+0-,D1*0C2@Z+133*,02(!\",$32+5-1-,D1*F*6#\"9$-,D1*0C2@Z+133*,02((.!:\"#\"@$-,D1*0C2@Z+133*,02((.#:\"#\"=$-,D1*0C2@Z+133*,02((.\":I#\"1$-,D1*0C2@Z+133*,02((.\":!H!材料工程!\"#$年##期峰强度增大!而F*\"##\"$衍射峰强度减小!这是由于涂层中F*6含量增多和F*含量减小所导致的&F*(F*6多层涂层中的F*6\"!\"\"$衍射峰发生一定程度的右移!这可能是由于涂层压应力释放所致)#H*&040!层厚比对?(#?(A多层涂层形貌的影响图!为不同层厚比F*(F*6多层涂层的横截面形貌&由图可见!F*(F*6界面数量均为#$!随着层厚比从!:\"降至\":!!F*层厚度减小!F*6层厚度增大&层厚比为!:\"时!涂层呈明显的柱状结构!且F*层柱状结构比F*6层更为明显!组织疏松!F*(F*6界面清晰&层厚比为\":!时!F*层和F*6层的柱状结构均不明显!F*(F*6界面变得模糊!涂层结构更为致密)#!*&这表明F*层的存在!带来了大量的中间界面!可抑制柱状晶的生长)!\"*!有助于提高多层涂层致密性!细化涂层晶粒&图!!不同层厚比F*(F*6多层涂层横截面形貌!\",$层厚比!:\"#\"9$层厚比#:\"#\"@$层厚比\":I#\"=$层厚比\":!P25:!!F*(33M31@02(+8(*;C(-(5D(.F*(F*68)-02-,D1*@(,02+53A20C=2..1*1+0-,D1*0C2@Z+133*,02(\",$-,D1*0C2@Z+133*,02((.!:\"#\"9$-,D1*0C2@Z+133*,02((.#:\"#\"@$-,D1*0C2@Z+133*,02((.\":I#\"=$-,D1*0C2@Z+133*,02((.\":!041!层厚比对?(#?(A多层涂层硬度和结合力的影响F*(F*6多层涂层的硬度和结合力随层厚比的变化关系如图Y所示&由图可见!随着层厚比从!:\"降至\":!!涂层的硬度从#II\"Ja大幅增至!Y\"\"Ja!而涂层的结合力则从!#6先略增至!Y6后降至#&6&图Y!不同层厚比F*(F*6多层涂层硬度和结合力P25:Y!/2@*(C,*=+133,+=,=C132(+(.F*(F*68)-02-,D1*@(,02+53A20C=2..1*1+0-,D1*0C2@Z+133*,02(涂层硬度随着层厚比的降低而增大!这与多层结构中F*6层厚度的增大%F*层厚度的减小!以及涂层致密化结构\"见图!$有关&根据硬度混合法则!取F*和F*6的硬度分别为HY\"!#G\"\"Ja!计算出层厚比为\":!!\":I!#:\"和!:\"时多层涂层的混合硬度分别为#&I&!#I\"&!#Y&IJa和#!#\\Ja!结合图Y可知!多层涂层的硬度均高于混合法则所得到的硬度!即F*(F*6多层结构涂层能够提高涂层硬度&根据图Y中所示的涂层表面划痕形貌可见!划痕周边均未出现大块的剥离和脱落现象!显示F*(F*6多层涂层具有较好的膜基结合&另外!涂层结合情况随着层厚比的降低有所改善!但层厚比过低!膜基结合又会下降&这说明适当厚度的F*过渡层可以改善涂层与基体的结合&涂层结合情况的改善与涂层中残余应力的大小相关&研究表明!软硬交替的膜层结构具有较小的残余应力)!#*!有助于膜基结合力的增加&\"Y第##期层厚比对磁控溅射F*(F*6多层涂层组织和性能的影响042!层厚比对?(#?(A多层涂层摩擦磨损性能的影响图$为不同层厚比F*(F*6多层涂层的磨损率和摩擦因数&由图可见!层厚比由!:\"下降到\":I时!涂层的磨损率首先由!:$^#\"%G88Y-6%#-8%#缓慢下降到#:G^#\"%G88Y-6%#-8%#!当层厚比为\":!时!磨损率达到最小值\":&^#\"%G88Y-6%#-8%##F*(F*6多层涂层的摩擦因数保持在\":GI左右!基本图$!不同层厚比F*(F*6多层涂层磨损率和摩擦因数P25:$!`1,**,01,+=.*2@02(+@(1..2@21+0(.F*(F*68)-02-,D1*@(,02+53A20C=2..1*1+00C2@Z+133*,02(不随着层厚比的变化而改变!且数值和F*6薄膜的摩擦因数\"约\":GY$相近&图I为具有不同层厚比的F*(F*6涂层磨损后的表面形貌&由图可见!磨痕表面均较为平整&在F*(F*6多层涂层中!硬质相F*6和软质相F*是交替分布的!在磨球\"磨球为U2Y6$$和涂层表面相互接触和磨损的过程中!表面的硬质F*6会发生剥离并形成硬质磨粒!这些硬质磨粒随后将会嵌入到软质相F*中而难以从磨痕表面挣脱!导致参与磨粒磨损的磨粒将会减少!磨痕表面平整光滑&对层厚比为\":I的涂层磨痕表面进行线扫描发现!磨痕表面颜色较深的地方F*和6元素含量下降!>和U2\"磨球为U2Y6$$元素含量升高!说明磨屑在此处出现了堆积&其中!F*元素下降表明涂层和磨球之间发生了元素转移!>元素的增加说明涂层磨损过程发生了氧化&当层厚比降为\":!时!涂层表面磨痕宽度显著减小!耐磨性最佳&且由于U2Y6$磨球硬质压入薄膜表面后对其切削!形成了犁沟和挤出脊!涂层表面具有磨粒磨损的形貌特征)!!*&图I!不同层厚比F*(F*6多层涂层磨损形貌!\",$层厚比!:\"#\"9$层厚比#:\"#\"@$层厚比\":I#\"=$层厚比\":!P25:I!`1,*8(*;C(-(5D(.F*(F*68)-02-,D1*@(,02+53A20C=2..1*1+0-,D1*0C2@Z+133*,02(!\",$-,D1*0C2@Z+133*,02((.!:\"#\"9$-,D1*0C2@Z+133*,02((.#:\"#\"@$-,D1*0C2@Z+133*,02((.\":I#\"=$-,D1*0C2@Z+133*,02((.\":!!!一般认为!涂层的耐磨性取决于涂层的硬度以及涂层与基底的结合强度)!Y*&结合图Y和图$!本实验中层厚比为\":!的F*(F*6涂层具有最高的硬度和最佳耐磨性!符合磨损量和*(J\"*为摩擦因数!J为显微硬度$之间的正比关系)!$*&1!结论\"#$采用直流磁控溅射法制备出具有不同层厚比的F*(F*6多层涂层&在调制周期相同的条件下\"$\"\"+8$!当层厚比为!:\"!#:\"!\":I和\":!时!F*(F*6多#Y材料工程!\"#$年##期层涂层始终由F*和F*6两相组成!呈现较为明显的F*6\"!\"\"$择优生长&\"!$层厚比的减小!使F*(F*6多层涂层变得致密起来!带来硬度的上升和耐磨性的改善&\"Y$F*(F*6多层涂层与基体的结合情况较好&参考文献)#*!VB6UC)MD(+5!QJB6KT)MC,2!`ET2,+5MW)+!10,-:F(8;,*M23(+(.@C*(82)8+20*2=1@(,02+53=1;(3201=9DLF,+=XP8,5+1M0*(+3;)001*2+5)\'*:VC2+U(-2=P2-83!!\"##!I#H\"\\$\'!##&%!#!\":)!*!潘应晖!许晓静:V2&B-$a表面磁控溅射高硬U2F薄膜的摩擦磨损性能)\'*:材料工程!!\"#Y!\"&$\'&Y%&&:_B6b2+5MC)2!TET2,(MW2+5:P*2@02(+(A1,*;*(;1*0213(.8,5M+10*(+3;)001*1=C25CMC,*=U2F.2-83(+V2&B-$a,--(D)\'*:\'()*M+,-(./,01*2,-34+52+11*2+5!!\"#Y!\"&$\'&Y%&&:)Y*!谈淑咏!张旭海!李纪宏!等:基底负偏压对直流磁控溅射F*6薄膜择优取向及表面形貌的影响)\'*:功能材料!!\"#\"!$#\"&$\'#\"#I%#\"#G:VB6UC)MD(+5!QJB6KT)MC,2!RS\'2MC(+5!10,-:4..1@03(.3)930*,01+15,027192,37(-0,513(+;*1.1**1=(*21+0,02(+,+=3)*M.,@18(*;C(-(5D(.F*6.2-83=1;(3201=9DLF*1,@02718,5+10*(+3;)001*2+5)\'*:\'()*+,-(.P)+@02(+,-/,01*2,-3!!\"#\"!$#\"&$\'#\"#I%#\"#G:)$*!`B6KR!6S4T!J>EUL46\'!10,-:/,01*2,-0*,+3.1*;C1M+(81+,,+=.,2-)*181@C,+2383(.,+,+(30*)@0)*1=F*MB-M6@(,0M2+52+-,9(*,0(*DA1,*01303,+=,+2+=)30*2,-;)+@C0((-,;;-2@,M02(+)\'*:U)*.,@1,+=F(,02+53V1@C+(-(5D!!\"\"G!!\"Y\'G#&%G!#:)I*!喻利花!苑彩云!许俊华:磁控溅射69U26复合膜的微结构和性能)\'*:材料工程!!\"#Y!\"\\$\'YI%YH:bER2MC),!bEB6F,2MD)+!TE\')+MC),:/2@*(30*)@0)*13,+=81@C,+2@,-;*(;1*0213(.8,5+10*(+3;)001*1=69U26@(8;(3201.2-83)\'*:\'()*+,-(./,01*2,-34+52+11*2+5!!\"#Y!\"\\$\'YI%YH:)&*!`B6Kg:S+.-)1+@1(.6!5,3;*133)*1,+=+15,027192,37(-0,51(+0C182@*(30*)@0)*1,+=;*(;1*0213(.F*MU2M6.2-839D,CD9*2=@(,02+53D3018)\'*:\'a,@U@2V1@C+(-B!!\"\"G!!&\'##GG%##H$:)\\*!周小军!易健宏!倪成林!等:aF(62纳米叠层薄膜的制备及力学性能)\'*:航空材料学报!!\"#$!Y$\"#$\'YH%$I:QJ>ET2,(MW)+!bS\'2,+MC(+5!6SFC1+5M-2+!10,-:_*1;,*,02(+,+=81@C,+2@,-;*(;1*0213(.aF(62+,+(M-,82+,01=@(,02+53)\'*:\'()*+,-(.B1*(+,)02@,-/,01*2,-3!!\"#$!Y$\"#$\'YH%$I:)G*!X4V/L!LBEFJ>V\'_!J4Fg/:U0)=D(.0C18(230)*1,+=0C1*8,-*13230,+@1(.B-6(Q*6(B-68)-02-,D1*3@(,02+5)\'*:U)*.,@1,+=F(,02+53V1@C+(-(5D!!\"\"I!!\"\"\'H$%HH:)H*!FJET!`UOSBP:/1,3)*181+0(.-,002@130*,2+2+B)M628)-02-,D1*,+=@(**1-,02(+A20C92,[2,-8(=)-)31..1@0)\'*:\'()*M+,-(.B;;-21=_CD32@3!#HH!!\\#\'#\\G!%#\\GH:)##*!/>JR4Ua:>*(A,+;*(@133@(+0*(--1==23-(@,02(+5-2=12+8,M01*2,-3@(+0,2+2+52+@(C1*1+0;,*02@-13)\'*:/,01*2,-3U@21+@14+M52+11*2+5B!!\"\"#!Y\"H%Y#\"\'!&I%!&H:)#!*!OS/b\'!`RS6KL_!10,-:L1;(3202(+(.8,5+10*(+3;)001*1=V26d/(U[@(,02+5A20CV2MV265*,=1=2+01*-,D1*)\'*:U)*.,@1,+=F(,02+53V1@C+(-(5D!!\"\"I!!\"\"\'#\"\\#%#\"\\I:)#$*!JBSL4X\'!XBJ/B6/!F>XF>XB66K<2+!TET2,(M-2,+!FJ46b2MN2+5!10,-:U0)=D(+0C182@*(30*)@0)*1,+=@(**(32(+91C,72(*(.F*(F*68)-02-,D1*0C2+.2-83)\'*:a,@))8!!\"\"H!$&\"I$\'!!%!I:)#G*!王静:反应磁控溅射金属(V26多层膜及金属掺杂V26薄膜的制备与特性)L*:延吉\'延边大学!!\"#!:!`B6K\'2+5:_*1;,*,02(+,+=@C,*,@01*2?,02(+(.*1,@02718,5+1M0*(+3;)001*1=810,-(V268)-02-,D1*.2-83,+=810,-M=(;1=V26.2-83)L*:b,+W2\'b,+92,+E+271*320D!!\"#!:)#H*!X>/4X>\'!4UV4a4\'!R>EUBB:_1*2(==1;1+=1+@1(.C,*=+133,+=82@*(30*)@0)*1(++,+(810*2@F*(F*68)-02-,D1*3)\'*:U)*.,@1,+=F(,02+53V1@C+(-(5D!!\"\"$!#GG%#GH\'YYG%Y$Y:)!\"*!蔡志海!牛庆银!底月兰!等:调制周期对F*(F*6纳米多层膜的结构与性能的影响)\'*:金属热处理!!\"##!Y&\"#$\'!H%Y!:!FBSQC2MC,2!6SEg2+5MD2+!LSb)1M-,+!10,-:S+.-)1+@1(.8(=)-,02(+;1*2(=(+82@*(30*)@0)*1,+=;*(;1*0213(.F*(F*6+,+(3@,-18)-02-,D1*.2-83)\'*:J1,0V*1,081+0(./10,-3!!\"##!Y&\"#$\'!H%Y!:)!#*!王全宏:V2(V26(Q*(Q*6多层膜及B-薄膜对钢基体疲劳性能的影响)L*:长沙\'中南大学!!\"#!:!`B6Kg),+MC(+5:4..1@0(.V2(V26(Q*(Q*68)-02-,D1*.2-83,+=B-.2-83(+0C1.,025)1;*(;1*0213(.3011-3)930*,01)L*:FC,+53C,\'F1+0*,-U()0CE+271*320D!!\"#!:!Y第##期层厚比对磁控溅射F*(F*6多层涂层组织和性能的影响)!!*!<4XK4X/!4XSOUU>6/!46KgaSUVJ!10,-:VC18)-02M-,D1*1..1@02+,9*,32(+M(;028232+50C1@(892+,02(+(.C,*=,+=0()5C;C,313)\'*:U)*.,@1,+=F(,02+53V1@C+(-(5D!#HHH!##&%##H\'##YG%##$$:)!Y*!宋贵宏!娄茁!熊光连!等:铜合金表面V2(V26多层膜的制备%结构及其性能)\'*:沈阳工业大学学报!!\"#!!Y$\"$$\'YH#%YH&:!U>6KK)2MC(+5!R>EQC)(!TS>6KK),+5M-2,+!10,-:_*1;,M*,02(+!30*)@0)*1,+=;1*.(*8,+@1(.V2(V268)-02-,D1*.2-8(+3)*.,@1(.@(;;1*,--(D)\'*:\'()*+,-(.UC1+D,+5E+271*320D(.V1@C+(-(5D!!\"#!!Y$\"$$\'YH#%YH&:)!$*!杜军!付永辉!田林海!等:碳膜与F*6(F)膜的摩擦学性能对比)\'*:有色金属!!\"\"$!I!\'!\"%!#:!LE\')+!PEb(+5MC)2!VSB6R2+MC,2!10,-:_*(;1*0213(.@,*M9(+.2-8,+=F*6MF).2-8)\'*:6(+.1**()3/10,-3!!\"\"$!I!\'!\"%!#:基金项目!国家自然科学青年基金\"I#Y\"#\"G\\$#南京工程学院校级科研基金项目资助\"bO\'!\"#!#\"$#江苏省大学生实践创新训练计划项目\"!\"#$##!\\&\"\"!Q$#南京工程学院大学生科技创新基金\"6!\"#$\"!!$$#国家自然科学青年基金\"I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