复合离子镀AlTiN薄膜的结构和性能研究

论文摘要

AlTiN三元复合膜在刀模具领域得到了广泛的应用,这是由于它具有高硬度、耐磨、较低的摩擦系数、良好的膜基结合力、明显的抗高温氧化能力强等特点。到目前为止,制备AlTiN薄膜的方法主要有：磁控溅射、电弧离子镀、电子束蒸发离子镀、离子束辅助沉积等。在诸多镀膜技术方法中,电弧离子镀的特点最为显著,主要是具有成膜速率快、膜层致密、膜基结合力强等特点,已经成为工业生产中的主要技术,特别是它具有离化率高、镀膜产量大的优点,是其它镀膜技术无法比拟的。然而,电弧蒸发原理基于冷阴极产生弧光放电,所沉积的膜层表面通常会存在“大颗粒”。这些“大颗粒”的存在,在膜层中形成了硬度软点,而且遮挡了而后过来的原子的沉积,导致膜层的硬度和膜基结合力下降,从而造成膜层的使用性能的降低。因此,“大颗粒”的存在对于电弧离子镀技术的进一步应用和发展产生了一定地限制和阻碍作用。而磁控溅射的特点是工艺稳定、膜层结构较均匀、表面质量高,但其缺点是离化率低、粒子能量小,从而影响膜与基底的结合力。目前,将两种工艺结合,优势互补逐渐成为了制备质量更加优良的AlTiN薄膜工艺的一个重要的研究方向。本文将直流磁控溅射与电弧离子镀技术相结合,形成复合离子镀技术,充分利用了这两种独立镀膜技术的优点并克服了缺点。本实验采用磁控溅射方法溅射出Al粒子,利用电弧蒸发出Ti粒子,在氮气等离子气氛下于基底上沉积AlTiN膜层,减少薄膜表面存在的污染现象、提高膜层的显微硬度和薄膜与基体之间的结合力,以达到提高膜层的使用性能的目的。基于以上原理,本工作利用复合离子镀技术,在高速钢W18Cr4V基材上制备了不同沉积参数条件下的AlTiN膜层并进行了以下一系列的试验和分析：测量薄膜的厚度的仪器是AMBIOSXP-2台阶仪；薄膜的结构利用X射线衍射（XRD）分析；薄膜表面形貌通过扫描电镜（SEM）进行观察观察；采用HXD-1000显微硬度仪和WS-92划痕试验机等分别研究了薄膜的硬度和膜基结合力。重点研究了基体偏压、反应气体（N2）流量和工件到靶材的距离（靶基距）对AlTiN薄膜结构和力学性能的影响,并对这些影响进行了深入讨论和分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 薄膜发展概述
• 1.3 常见的氮化物膜
• 1.3.1 单一类氮化物薄膜
• 1.3.2 多元化氮化物薄膜
• 1.3.3 梯度化氮化物薄膜
• 1.4 真空离子镀技术概述
• 1.4.1 离子镀技术种类和发展
• 1.4.2 电弧离子镀技术概述
• 1.4.3 磁控溅射离子镀技术概述
• 1.5 AlTiN薄膜国内外研究现状
• 1.5.1 国外AlTiN薄膜研究现状
• 1.5.2 国内AlTiN薄膜研究现状
• 1.6 本文的研究目的、意义和内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究意义
• 1.6.3 研究内容
• 第二章 实验设备与方法
• 2.1 实验设备简介
• 2.2 实验材料的制备和处理
• 2.3 实验流程
• 2.4 镀膜工艺参数的设定
• 2.5 薄膜的测试设备
• 2.5.1 XP-2台阶仪
• 2.5.2 XP纳米压痕仪
• 2.5.3 扫描电子显微镜
• 2.5.4 X射线衍射仪
• 2.6 薄膜的表征方法
• 2.6.1 薄膜的表面形貌分析
• 2.6.2 XRD物相检测
• 2.6.3 薄膜的硬度和膜基结合力
• 第三章 多弧离子镀AlTiN薄膜的制备、结构与性能研究
• 3.1 多弧离子镀AlTiN薄膜的制备
• 3.2 多弧离子镀AlTiN薄膜的表征与分析
• 3.2.1 薄膜的厚度
• 3.2.2 薄膜的微观结构
• 3.2.3 薄膜的表面形貌
• 3.2.4 薄膜的硬度
• 3.2.5 膜基结合力
• 3.3 本章小结
• 第四章 复合离子镀AlTiN薄膜的制备、结构与性能分析
• 4.1 复合离子镀AlTiN薄膜的制备
• 4.1.1 工艺流程
• 4.1.2 参数设定
• 4.2 复合离子镀AlTiN薄膜的结构研究
• 4.2.1 复合离子镀AlTiN薄膜的X射线衍射（XRD）实验
• 4.2.2 XRD分析
• 4.3 复合离子镀AlTiN薄膜的表面形貌
• 4.3.1 复合离子镀AlTiN薄膜的膜厚
• 4.3.2 复合离子镀AlTiN薄膜的SEM实验及分析
• 4.4 复合离子镀AlTiN薄膜的成分分析
• 2流量对薄膜的成分影响'>4.4.1 N₂流量对薄膜的成分影响
• 4.4.2 偏压对薄膜的成分影响
• 4.5 复合离子镀AlTiN薄膜的力学性能
• 4.5.1 硬度及弹性模量
• 4.5.2 膜基结合力
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 实验结果总结
• 5.1.2 不足之处
• 5.2 讨论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 硕士在读期间获得的奖励
• 致谢