鋁合金表面磁控濺射ZrN、TiN、TiCN彩色納米薄膜工藝的研究.pdf

1、本文采用SP-0707型中頻反應(yīng)磁控濺射鍍膜設(shè)備在鋁合金表面沉積ZrN、TiN、TiCN彩色納米薄膜，克服傳統(tǒng)的陽極氧化、電鍍、微弧氧化、激光處理等鋁合金表面處理技術(shù)缺點，解決鋁合金在裝飾性和功能性方面的問題，擴大應(yīng)用范圍，延長使用壽命。本文采用的中頻反應(yīng)磁控濺射設(shè)備最高真空度優(yōu)于8.0×10-4Pa，爐內(nèi)真空室尺寸為Φ700×700mm，靶基距120mm，氬氣70sccm，采用平面孿生靶，濺射工藝參數(shù)氮氣流量、濺射時間、靶功率、基片偏

2、壓、占空比可調(diào)。整個濺射鍍膜過程在真空爐內(nèi)進行，具有無污染、濺射效率高，運行穩(wěn)定等優(yōu)點。本文采用正交試驗設(shè)計實驗方案，使用CM2600d分光測色儀、PCQC光學(xué)分析軟件、德國Zeiss Ultra55場發(fā)射掃描電鏡、美國EDAX公司GENESIS型X射線能譜儀、日本理學(xué)儀器X射線衍射分析儀、6JA干涉顯微鏡、YWX/Q-250型鹽霧腐蝕試驗箱、JGW-360A潤濕角測定儀、GB/T9286-1998膜基結(jié)合力測試方法等，研究工藝參數(shù)氮氣

3、流量、甲烷氣體流量、濺射時間、靶功率、基片偏壓、占空比對鋁合金表面ZrN、TiN、TiCN彩色納米薄膜的呈色機理、光學(xué)特性、成膜機理、長大方式、微觀結(jié)構(gòu)、晶粒大小、衍射峰強度、物相衍射角θ、晶面指數(shù)(hkl)、薄膜厚度、膜基結(jié)合力、耐蝕性、疏水疏油特性的影響規(guī)律。
　　研究表明，影響ZrN薄膜顏色變化的主要參數(shù)為氮氣流量，隨著氮氣流量的增加，ZrN薄膜色差△E*先減小后增大，反射率R先增大后減小，且ZrN薄膜的反射率R服從函數(shù)如下

4、正態(tài)函數(shù)的分布:F(x)=1/√2πσ∫300e(x-μ)2/2σ2dx，分布區(qū)間為(0，30)，分布中心為μ=15，峰值為45.91％，ZrN薄膜的顏色由淺→淺黃→深黃→金黃→紅黃。獲得優(yōu)化的鋁合金表面濺射仿金色ZrN薄膜的工藝參數(shù)為氮氣流量為15SCCM，占空比為80％，偏壓為250V，靶功率為5KW，濺射時間為10min。此時，L*=82.6，a*=1.3，b*=29.5，色差△E*為0.84，反射率R為45.68;影響TiN薄膜

5、顏色變化的主要參數(shù)為氮氣流量和濺射偏壓，隨著氮氣流量增加，TiN薄膜的色差△E*先減小后增大，反射率先增加后減小，顏色由淺黃→深黃→金黃→紅黃。隨著濺射偏壓的增加，TiN薄膜的色差△E*逐漸減小，反射率R逐漸增加，顏色由淺黃→金黃→紅黃。獲得優(yōu)化的鋁合金表面濺射仿金色TiN薄膜的工藝方案A2D3B1E4C2、A2D1B4E2C5、A2D2B5E3C1進行實驗，獲得的顏色色差△E*分別為1.38、1.09、1.29，工藝方案A2D1B4E

6、2C5顏色色差最小，即氮氣流量A為15sccm，基片偏壓D為150V，濺射時間為20Min，占空比為50％，濺射靶功率為8kW;影響TiCN薄膜表面顏色變化的主要參數(shù)為氮氣流量和甲烷氣體流量，隨著氮氣流量的增加，TiCN薄膜的顏色由淺→槍黑→淺紅→磨砂紅。隨著甲烷氣體流量的增加，TiCN薄膜的顏色由淺紅→深紅→磨砂紅→暗紅。獲得優(yōu)化的鋁合金表面濺射磨砂紅色TiCN薄膜的工藝方案氮氣流量為20sccm，甲烷氣體流量10sccm，時間10m

7、in，靶功率5kW，偏壓150V，占空比80％，此時獲得的△E*=[（△L*）2+（（△a*）2+(△b*)2]1/2值最小，為0.75。
　　工藝參數(shù)影響ZrN、TiN、TiCN彩色納米薄膜的呈色機理和光學(xué)特性，ZrN、TiN、TiCN薄膜的色差△E*隨反射率R的增加而減小，反射率R與δ=4π/λnh cosi成正比，即與薄膜厚度h成正比。薄膜厚度h的變化會產(chǎn)生薄膜顏色色度指標L*、a*、b*的變化，影響薄膜色差△E*的變化。Z

8、rN、TiN、TiCN薄膜的光學(xué)特性與薄膜的擇優(yōu)取向、衍射峰強度、薄膜厚度等有關(guān)。當基片偏壓為-250V，ZrN薄膜的(101)、(111)晶面衍射峰最強烈，具有擇優(yōu)取向，此時L*=82.5，a*=2.3，b*=29.6，薄膜厚度為223nm，薄膜結(jié)合力為0級，耐蝕性為9.3級，薄膜呈仿金色;當基片偏壓為-150V時，TiN薄膜的(111)晶面衍射峰最強烈，具有擇優(yōu)取向，此時L*=82.1，a*=1.5，b*=30.2，薄膜厚度為254

9、nm，薄膜結(jié)合力為0級，耐蝕性為9.3級，薄膜呈仿金色;當基片偏壓為-100V時，TiCN薄膜的(111)晶面衍射峰最強烈，具有擇優(yōu)取向，此時L*=45.56，a*=19.50，b*=2.62，薄膜厚度為368nm，薄膜結(jié)合力為0級，耐蝕性為9.1級，薄膜呈磨砂紅色。
　　研究薄膜的成膜機理與長大方式，薄膜的成膜機理與長大方式與襯底溫度Ts和材料熔點Tm有關(guān)，當Ts/Tm＜0.3時，薄膜呈柱狀結(jié)晶纖維組織，纖維內(nèi)部缺陷密度很高，或

10、者就是非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，纖維間的結(jié)構(gòu)明顯疏松，存在著許多納米尺寸的孔洞;當Ts/Tm=0.3-0.5溫度區(qū)間，纖維柱狀晶的直徑隨著沉積溫度增高而增加，晶體內(nèi)部缺陷密度降低，晶粒邊界致密性較好，薄膜也具有比較高的強度。同時各晶粒的表面開始呈現(xiàn)出晶體學(xué)平面所特有的形貌;襯底溫度繼續(xù)升高(TS/Tm＞0.5)時，薄膜內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶，晶粒開始長大，薄膜內(nèi)部呈現(xiàn)粗大的等軸晶體。薄膜內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與濺射偏壓有關(guān)，當基片偏壓不同時，薄膜具有不同晶面的擇優(yōu)取

11、向，不同擇優(yōu)取向的晶面具有不同的性能。當濺射偏壓為-250V時，具有(101)、(111)擇優(yōu)取向的ZrN薄膜結(jié)合力好、耐蝕性高、具有仿金色;濺射偏壓為-150V時，具有(111)擇優(yōu)取向的TiN薄膜結(jié)合力好、耐蝕性高、具有仿金色;濺射偏壓為-100V時，具有(111)擇優(yōu)取向的TiCN薄膜結(jié)合力好、耐蝕性高、具有磨砂紅色。
　　研究工藝參數(shù)對薄膜厚度、薄膜結(jié)合力、薄膜耐蝕性、薄膜疏水性能的影響規(guī)律。研究表明，工藝參數(shù)對ZrN、T

12、iN、TiCN薄膜厚度的影響其主要因素為沉積時間，其次為濺射偏壓;工藝參數(shù)對ZrN、TiN、TiCN薄膜結(jié)合力影響主要因素為濺射偏壓、靶功率;影響ZrN、TiN、TiCN薄膜的耐蝕性的主要因素是濺射偏壓和靶功率。研究發(fā)現(xiàn)，采用不同工藝參數(shù)可以獲得具有不同潤濕角的ZrN、TiN、TiCN薄膜，根據(jù)楊氏方程可知，固體表面的潤濕角與固體表面自由能有關(guān)，自由能越低，潤濕角越大，反之潤濕角越小。ZrN薄膜采用工藝參數(shù)組合A4B5C4D5E3、MB

13、5C4D2E7、A5B5C4D2E7、A6B5C4D2E7，膜層厚度為200-260nm，晶粒尺寸為70-90nm，結(jié)合力為0-1級，耐蝕性為9.1、9.0、9.1、9.3，為優(yōu)級和最優(yōu)級，潤濕角θ＞120°。TiN薄膜采用工藝參數(shù)組合A2B3C2D1E5、A2B3C2D1E5，TiN膜層厚度約為255nm，薄膜結(jié)合力均為0級，薄膜耐蝕性為9.1、9.3級，均為超優(yōu)級，潤濕角分別為123°、128°。TiCN薄膜采用工藝方案A3B4C5