多弧离子镀制备TiN/A1N纳米多层膜及其性能的研究

论文题目: 多弧离子镀制备TiN/A1N纳米多层膜及其性能的研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 金属材料工程

作者: 陈淑花

导师: 潘应君

关键词: 多弧离子镀,薄膜,纳米多层膜,超硬

文献来源: 武汉科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 表面工程作为一门新兴的综合性学科,近年来,在国内外得到了迅速的发展。实践证明,表面工程的运用能有效改善材料的表面性能,提高生产力,节约资源。据专家们预言,表面工程将成为21世纪工业发展的关键技术之一。 多弧离子镀技术是一种在真空中将冷阴极自持弧光放电用于蒸发源的镀膜技术。由于它是一种几乎完全的离子镀以及其它的一些特点,尤其适合于在金属表面制备各种金属化合物薄膜或高熔点金属膜层,因此自上世纪80年代以来得到了迅猛的发展,成为目前最先进的镀膜技术之一。 工模具表面硬化涂层主要以TiN为主,各种技术制备TiN薄膜的研究有很多,并已投入进了工业应用,但是TiN的抗氧化温度不高(550℃),在特殊环境的使用过程中容易氧化失效。人们发现在TiN中添加其它元素(Cr、Al、Zr、C、Si等),或者进行多层化(TiN/Ti、TiN/VN、TiN/CrN等)处理都可以有效改善涂层性能,目前针对TiN的研究一般集中在这两个方向。本研究采用多弧离子镀技术在制备TiN薄膜的基础上获得TiN/AlN纳米多层膜,并对TiN/AlN纳米多层膜的性能做了初步探讨。 本论文第一部分为多弧离子镀技术制备TiN薄膜的研究,通过对影响镀膜过程的重要因素:负偏压、氮气分压、弧电流、基体温度等的研究,得出他们对涂层厚度和性能影响的规律,实验证明,靶电流80A、基体温度500℃(高速钢)、偏压50V、氮气分压1Pa、沉积时间40min时TiN薄膜具有最佳的综合性能。 本论文第二部分为多弧离子镀技术制备TiN/AlN纳米多层膜的研究,实验获得具有一定超硬效应的小调幅周期的TiN/AlN纳米多层膜,其结合力与TiN相差不大,但通过薄膜腐蚀试验及抗氧化性能试验证明,TiN/AlN纳米多层膜具有比TiN薄膜更优异的耐腐蚀及抗氧化性能。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 文献综述

1.1 离子镀技术的发展

1.2 多弧离子镀技术

1.2.1 多弧离子镀原理

1.2.2 多弧离子镀工艺参数

1.2.3 多弧离子镀技术的针孔及颗粒问题

1.2.4 多弧离子镀技术的应用

1.2.5 多弧离子镀技术的发展

1.3 薄膜形成原理

1.3.1 晶核的形成及其生长方式

1.3.2 薄膜形成的热力学条件

1.3.3 晶核形成速度

1.4 TiN基薄膜研究进展

1.4.1 TiN基薄膜多元化进展

1.4.2 TiN基薄膜的双重处理

1.4.3 TiN基薄膜多层化发展

1.5 纳米多层膜

1.5.1 纳米多层膜的分类

1.5.2 纳米多层膜的应用前景

1.5.3 TiN／AlN纳米多层膜的研究现状

1.6 本研究的内容及意义

1.6.1 本研究的内容

1.6.2 本研究的意义

1.7 本研究执行的技术路线

第二章 试验设备及方法

2.1 实验材料

2.2 实验前基体试样的预处理

2.3 镀膜设备

2.4 实验流程

2.4.1 辉光清洗原理及作用

2.4.2 弧光清洗原理及作用

2.5 结合力的测定

2.6 硬度的检测

2.7 表面形貌、显微结构的观测以及薄膜的物相分析

2.8 膜层的抗氧化性能试验

2.9 膜层的耐腐蚀性能试验

2.10 TiN薄膜沉积工艺设计

2.10.1 初步正交实验设计

2.10.2 沉积工艺设计

2.11 TiN／AlN薄膜沉积工艺设计

2.12 TiN／AlN多层膜结构设计

第三章 TiN薄膜的制备及性能分析

3.1 多弧离子镀制备TiN薄膜的工艺研究

3.1.1 正交实验

3.1.1.1 沉积工艺

3.1.1.2 正交实验结果

3.1.1.3 正交实验结果分析

3.1.1.4 正交实验后的工艺优化

3.1.2 负偏压的影响

3.1.2.1 沉积工艺

3.1.2.2 偏压对表面形貌及薄膜色泽的影响

3.1.2.3 偏压对膜层厚度、薄膜硬度及膜基结合力的影响

3.1.3 氮气分压的影响

3.1.3.1 沉积工艺

3.1.3.2 氮气分压对TiN膜层表面形貌及色泽的影响

3.1.4 沉积时间的影响

3.1.4.1 沉积工艺

3.1.4.2 沉积时间对生长速率、硬度及结合力的影响

3.2 最佳工艺下制备TiN薄膜的形貌观察及物相分析

第四章 TiN／AlN多层膜的制备及结构分析

4.1 制备工艺

4.2 TiN／AlN薄膜的表面形貌观察

4.3 TiN／AlN薄膜的物相结构分析

4.4 TiN／AlN纳米多层的调制结构表征

4.5 TiN／AlN纳米多层膜的超硬效应

4.6 TiN／AlN纳米多层膜超硬现象分析

4.7 TiN／AlN纳米多层膜结合力的测定

4.8 TiN／AlN超晶格纳米多层膜讨论

4.8.1 TiN／AlN纳米多层膜亚稳态立方相生长的条件

4.8.2 TiN／AlN纳米多层膜亚稳态立方相生长理论

第五章 TiN／AlN薄膜的性能分析

5.1 TiN／AlN薄膜的耐腐蚀性能

5.1.1 浸泡实验

5.1.2 极化曲线的测定

5.2 TiN／AlN薄膜的抗氧化性能

5.2.1 实验结论

5.2.2 抗氧化性能分析

5.3 薄膜的使用效果

第六章 结论

参考文献

致谢

附录

发布时间: 2005-10-21

参考文献

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