磁場增強(qiáng)高功率脈沖磁控濺射放電特性及TiAlN薄膜制備研究.pdf

1、TiAlN薄膜具有高硬度、耐摩擦磨損和耐腐蝕等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的刀具涂層材料。傳統(tǒng)磁控濺射的金屬離化率一般低于10％，濺射粒子大多以原子狀態(tài)存在，從而導(dǎo)致薄膜的結(jié)合力較差。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)(HIPIMS)可以彌補(bǔ)這一缺點，其具有峰值功率高、等離子體密度高和金屬離化率高等特點，成為制備TiAlN薄膜的優(yōu)良方法。
　　本文采用輔助磁場進(jìn)一步提高系統(tǒng)的離化率，并研究了磁場增強(qiáng)條件下TiAl合金靶高功率脈沖磁控濺射放電特性。在

2、M2高速鋼上采用磁場增強(qiáng)高功率脈沖磁控濺射技術(shù)制備TiAlN薄膜，并研究了線圈電流、脈沖電流、氬氮流量比和工作氣壓等工藝參數(shù)對TiAlN薄膜膜層形貌、膜層成分、相結(jié)構(gòu)、硬度、摩擦磨損性能和膜基結(jié)合力等的影響。
　　等離子體放電特性研究結(jié)果表明，輔助磁場可以顯著提高基體電流；靶電流和基體電流隨工作氣壓和放電電壓的增加而增加，隨復(fù)合直流的增加而降低；與純Ar氣放電相比，N2的加入可以增加系統(tǒng)中的二次電子，靶電流和基體電流均顯著增加，并

3、隨N2流量的增加，靶電流和基體電流先快速增加然后趨于穩(wěn)定。
　　TiAlN薄膜微觀組織結(jié)構(gòu)研究表明，磁場增強(qiáng)下制備的TiAlN薄膜表面平整，表面粗糙度較小，在4nm～10nm之間。TiAlN薄膜呈致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)，不同工藝參數(shù)下制備的TiAlN薄膜中Al/Ti原子比均高于1.7，隨線圈電流、氮氣流量和工作氣壓的增加，Al/Ti原子比均是先增加后降低；隨脈沖電流增加，Al/Ti原子比逐漸增加。TiAlN薄膜中主要以TiAlN(200

4、)和TiN(220)衍射峰為主，同時還出現(xiàn)了h-AlN的(1010)衍射峰。
　　以顯著提高薄膜的硬度和彈性模量，薄膜力學(xué)性能研究表明，輔助磁場可最大可達(dá)到32GPa和391GPa。TiAlN薄膜具有良好的耐摩擦磨損性能，摩擦系數(shù)最小為0.25，線圈電流對摩擦磨損性能影響顯著，隨著線圈電流的增加，摩擦系數(shù)明顯降低。所制備的TiAlN薄膜具有良好的膜基結(jié)合力，臨界載荷最高超過了50N，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)到HF1，膜基結(jié)合力隨線圈電流的增加