多元多层复合膜的制备及性能研究

论文摘要

本文阐述了多弧离子镀技术的原理﹑特点﹑应用及发展现状，并对TiN﹑CrN﹑TiCrN薄膜进行了综述。采用自制XH800型多弧离子镀设备在YG6硬质合金表面制备了TiN薄膜、CrN薄膜和TiN/TiCrN/CrN多元多层(15层)复合膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度仪、体视显微镜和划痕仪对薄膜的物相结构、表面及断口形貌、表面成分及主要性能进行了分析。XRD分析结果表明，TiN薄膜以TiN(111)晶面择优取向，并存在TiC相。CrN薄膜以CrN和Cr2N相同时存在，无单质Cr相存在。TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的相结构组成为TiN和Cr2N，随着铬靶电流的增大，TiN的择优取向由(200)向(111)转变，膜层出现单质Cr。扫描电镜的微观观察结果表明，TiN、CrN膜表面存在较多液滴，TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的表面液滴及大颗粒比单层膜少，Cr元素的引入改善了膜层的表面质量。断口形貌显示TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜呈现层状结构，多层结构的出现，改变了单层膜的粗大柱状晶生长方式，使得膜层以微细柱状晶生长。TiN/TiCrN/CrN多元多层膜的厚度最厚为5.02μm，膜层厚度受到靶材电流，镀膜时间以及偏压等多种因素的影响。单层膜和多层膜结构都较致密，与基体结合良好。表面能谱结果显示，单层膜表面N:Ti和N:Cr原子百分比都接近1:1，液滴和大颗粒的存在是造成偏差的主要原因，这与靶材电流和偏压有关；TiN/TiCrN/CrN多元多层膜表面成分与钛靶和铬靶的电流配比有关，铬靶电流对膜层表面的液滴和大颗粒的数量有明显影响。显微硬度及结合力测试得到TiN单层膜的硬度在2000HV左右，最高为2156HV，结合力最高为50N；CrN单层膜的硬度最高达到2595N，结合力也达到60N；多元多层复合膜显微硬度都在2000HV以上，最高为2336HV，结合力最高为63N。TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的硬度在TiN膜和CrN膜之间，较TiN膜有所提高；结合力较单层膜有所提高，由于多层结构的出现使得晶粒细化，降低了膜层内应力。显微硬度和结合力都受到偏压和靶电流等因素的影响。适当增加偏压和降低靶电流有助于硬度和结合力的提高。选择合适的偏压和靶材电流是制备出优质TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的必要条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 多弧离子镀技术
• 1.2.1 多弧离子镀的基本结构与沉积原理
• 1.2.2 多弧离子镀的特点
• 1.2.3 多弧离子镀的发展及应用
• 1.2.4 多弧离子镀的问题及解决
• 1.3 TiN，CrN，TiCrN 薄膜综述
• 1.3.1 TiN 膜
• 1.3.2 CrN 膜
• 1.3.3 TiCrN 膜
• 1.4 氮化物硬质涂层的发展
• 1.4.1 二元涂层
• 1.4.2 多组元涂层
• 1.4.3 多层涂层
• 1.5 本论文实验设计方案、研究内容及技术路线
• 1.5.1 本论文实验设计方案
• 1.5.2 本论文研究内容
• 1.5.3 研究技术路线
• 2 实验设备及实验方法
• 2.1 XH800 型多弧离子镀设备
• 2.2 实验材料及基体试样预处理
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 基体试样预处理
• 2.3 薄膜制备
• 2.3.1 试验流程
• 2.3.2 试验工艺及参数
• 2.4 膜层物相、形貌及元素检测
• 2.4.1 X 射线衍射检测
• 2.4.2 形貌及元素检测
• 2.5 膜层主要性能测试
• 2.5.1 显微硬度测试
• 2.5.2 膜层结合力测试
• 3 TiN 薄膜物相、形貌及主要性能分析
• 3.1 TiN 薄膜物相分析
• 3.2 TiN 薄膜表面及断口形貌分析
• 3.3 TiN 薄膜表面能谱分析
• 3.4 TiN 薄膜显微硬度及结合力分析
• 3.5 本章小结
• 4 CrN 薄膜物相、形貌及主要性能分析
• 4.1 CrN 薄膜物相分析
• 4.2 CrN 薄膜表面形貌及断口分析
• 4.3 CrN 薄膜表面能谱分析
• 4.4 CrN 薄膜显微硬度及结合力分析
• 4.5 本章小结
• 5 TiN/TiCrN/CrN 多元多层复合膜物相、形貌及主要性能分析
• 5.1 TiN/TiCrN/CrN 多元多层复合膜物相分析
• 5.2 TiN/TiCrN/CrN 多元多层复合膜表面形貌及断口分析
• 5.3 TiN/TiCrN/CrN 多元多层复合膜表面成分分析
• 5.4 TiN/TiCrN/CrN 多元多层复合膜显微硬度及结合力分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
• 致谢