偏壓對(duì)磁控濺射制備Ni摻雜TiB2基涂層結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響

2015-06-21 李 沛 上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼治金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

  采用雙靶非反應(yīng)磁控濺射,通過改變基底偏壓,制備了一系列Ni摻雜TiB2基的涂層。通過X射線能譜儀確定其成分,利用X射線衍射、掃描電鏡對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并通過納米壓痕、維氏壓痕、劃痕以及摩擦磨損分別對(duì)涂層的硬度、模量、斷裂韌性、膜基結(jié)合力和摩擦學(xué)性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:此工藝下制備的TiB2-Ni涂層中均存在六方相的TiB2結(jié)構(gòu),并且生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)非常致密,無明顯的柱狀生長(zhǎng)結(jié)構(gòu),表面粗糙度低;硬度均大于40GPa;涂層均具有較好的斷裂韌性;且隨著偏壓增大斷裂韌性和結(jié)合力都有所提高;同時(shí)所制備涂層摩擦系數(shù)均在0.5~0.6,磨損率在同一數(shù)量級(jí)。

  磁控濺射制備的TiB2基涂層具有高硬度和高的化學(xué)穩(wěn)定性,因而在多方面得到了廣泛的應(yīng)用,可用于保護(hù)切削刀具、模具以及航空航天零器件表面等。TiB2基涂層雖然具有高硬度,但高硬度的材料在發(fā)生變形時(shí)通常具有脆性而容易導(dǎo)致失效,低韌性限制了TiB2基涂層在工程方面的應(yīng)用,提高其韌性成為了一個(gè)非常重要的研究方向。而一般情況下,韌性的增長(zhǎng)容易導(dǎo)致硬度的降低,很難做到兩者兼顧。

  金屬和陶瓷材料在很多方面都有著廣泛的應(yīng)用,金屬的主要特點(diǎn)是具有高韌性,陶瓷硬度很高但韌性較低。近年來,將韌性材料摻入陶瓷基涂層制備出的陶瓷/金屬納米復(fù)合涂層得到了廣泛的研究。一些研究將Ni或Ti摻雜到許多碳化物和氮化物的涂層中,如Ni摻雜的TiC,TiN 和CrN,Ti摻雜的SiN等,金屬的摻雜將導(dǎo)致硬度和韌性的變化。Akbari等研究發(fā)現(xiàn)了硬度大于25GPa且具有良好韌性的Ti-Ni-N涂層。

  基于上述研究,本文研究了不同金屬摻雜對(duì)于TiB2抗裂紋性能的影響,發(fā)現(xiàn)Ni摻雜對(duì)于其抗裂性能的提高是最明顯的,但是在以前的研究中,發(fā)現(xiàn)雖然有提高,但是還存在很明顯的柱狀生長(zhǎng),說明涂層的性能還有很大的改進(jìn)空間,基于此,本文采用中頻和射頻電源的雙靶磁控濺射設(shè)備通過改變基片偏壓制備了不同偏壓的TiB2-Ni涂層。對(duì)所制備的涂層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能的研究,探討了偏壓對(duì)其生長(zhǎng)結(jié)構(gòu),以及硬度、斷裂韌性、膜基結(jié)合力和摩擦學(xué)等方面的性能。

  1、實(shí)驗(yàn)

  1.1、原料及制備

  涂層的制備采用MS450型高真空雙靶磁控濺射設(shè)備,通過改變基片偏壓,在康寧Eagle玻璃、單晶Si(100)和M2高速鋼基底上沉積不同偏壓的TiB2-Ni涂層。其中TiB2靶(直徑100mm,厚度4mm,純度為99.9%)上均勻覆蓋Ti片,采用中頻電源(MF),400W,100kHz;Ni靶(直徑100mm,厚度4mm,純度為99.995%)采用射頻電源(RF)。涂層沉積前將沉積室本底真空抽到8×10-5 Pa以下;謩e在丙酮、無水乙醇和去離子水中進(jìn)行了超聲清洗,然后用氮?dú)獯蹈伞3练e時(shí)在Ar氣氛下,氣壓控制在0.7Pa;准訜嶂300℃,基片偏壓分別為-30,-50,-90和-110V,涂層厚度控制在1.3~1.5μm之間。

  1.2、涂層表征

  采用Bruker D8型X射線衍射(XRD)儀對(duì)涂層進(jìn)行物相分析,CuKα射線,θ/θ模式,步長(zhǎng)設(shè)定為0.01°,掃描范圍20°~70°。涂層的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)利用Hitachi S4800 高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀測(cè),加速電壓為4kV。涂層的硬度測(cè)量在MTS NANO G200納米壓痕儀上進(jìn)行,采用金剛石Berkovich壓頭,為了減小基底的影響,最大壓入深度設(shè)為150nm(約為膜厚的1/10)。每個(gè)樣品測(cè)量8個(gè)點(diǎn)并取平均值,通過加載卸載曲線計(jì)算出塑性指數(shù)。涂層與基底的結(jié)合力分析采用CSM 公司的Revetest劃痕儀進(jìn)行測(cè)試,壓頭為半徑200μm的金剛石Rockwell壓頭,力加載為0~100N,加載長(zhǎng)度為3mm。維氏壓痕測(cè)試采用HV-1000顯微硬度計(jì)。利用FEI QuantaTM 250FEG型SEM 對(duì)劃痕形貌和維氏壓痕形貌進(jìn)行了表征,電壓為5kV。采用CETR UMT-3摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層的摩擦學(xué)性能進(jìn)行表征,使用球盤往復(fù)模式。在室溫,濕度為62±5%的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)偶球采用直徑為6mm的Al2O3球,加載為2N。對(duì)偶球的往復(fù)速度和頻率為5cm/s和5 Hz。磨痕的深度分布使用KLA-Tencor Alpha-Step IQ表面輪廓儀獲得。

  3、結(jié)論

  (1)采用磁控濺射設(shè)備制備出了不同偏壓下的Ni摻雜TiB2基涂層。

  (2)在結(jié)構(gòu)上,制備出的所有TiB2-Ni涂層只存在六方結(jié)構(gòu)的TiB2,低偏壓涂層趨向于非晶態(tài),高偏壓涂層結(jié)晶性較好,所有涂層生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)致密,無明顯的柱狀結(jié)構(gòu)且具有很低的粗糙度(小于1nm)。

  (3)在性能上,硬度均高于塊體TiB2且大于40GPa;通過塑性指數(shù)與壓痕測(cè)試觀測(cè)出具有較好的韌性,韌性隨著變壓的增大有所增強(qiáng);通過劃痕測(cè)試,涂層的結(jié)合力隨著變壓的增大而增強(qiáng),高偏壓TiB2-Ni涂層具有較好的結(jié)合力;摩擦學(xué)性能上,所制備的涂層摩擦系數(shù)均在0.5~0.6之間,磨損率均在1.2×10-15至3.2×10-15 m3/N m 范圍內(nèi),保持在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

  (4)通過對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的研究,高基片偏壓(約-110V)制備的TiB2-Ni涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。