高功率脉冲磁控溅射技术沉积硬质涂层研究进展

高功率脉冲磁控溅射技术是最新发展起来并受到广泛关注的一种高离化率物理气相沉积技术，它利用较高的脉冲峰值功率（超出传统磁控溅射2～3个数量级）和较低的脉冲占空比（0．5％～10％）来实现高金属离化率（〉50％），在获得优异的膜基结合力、控制涂层微结构、降低涂层内应力、控制涂层相结构等方面都具有显著的技术优势．本文从高功率脉冲磁控溅射技术的原理出发，探讨了高功率脉冲溅射技术沉积涂层的特性和技术优势，介绍了10多年来高功率脉冲磁控溅射技术在刀具涂层界面优化、高性能硬质涂层沉积、复合高功率脉冲磁控溅射技术制备纳米多层/复合硬质涂层和氧化物涂层沉积、低温沉积等方面的研究进展．

高功率脉冲磁控溅射技术制备纳米级ZrO_(2)薄膜的高耐腐蚀性

高质量的金属氧化物薄膜在航天航空、海洋船舶等极端环境下的关键部件有着广泛的应用需求,但传统制备技术易导致薄膜疏松多孔,产生空隙裂纹等缺陷,高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)已被证明是一种有效制备无空洞和无弧滴致密薄膜的有效方法。通过 HiPIMS 技术在不锈钢表面制备超薄致密 ZrO_(2) 薄膜,重点研究不同 O_(2)流量下耐腐蚀性能的调控规律。 通过扫描电子显微镜(SEM)、光电子能谱仪(XPS)、X 射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、纳米压痕仪(Nano Test P3)、电化学设备(CS300)等对 ZrO_(2)薄膜的表面形貌、物相结构、力学性能、耐腐蚀性能等方面进行研究。研究结果显示, 在 O_(2)流量为 40 mL/ min 时,ZrO_(2) 薄膜的纳米硬度 H 最高为 26.38 GPa,弹性模量 E 为 290.9 GPa;同时,在电化学腐蚀试验中,其自腐蚀电流密度 Icorr达到 45.802 pA / cm^(2) ,与 304L 不锈钢相比降低了 4 个数量级;电化学阻抗谱(EIS)显示,随 O_(2)流量的增加,容抗弧半径、低频区阻抗值和相角均随之不断增大,进一步表明 O_(2) 流量为 40 min / mL 制备薄膜的耐腐蚀性能最优。通过 HiPIMS 技术能够制备出高质量的 ZrO_(2) 薄膜,其高耐腐蚀性对基体起到了强效的防护作用,对防腐薄膜的研究和应用具有一定参考价值。

基体温度对中频脉冲非平衡磁控溅射技术沉积类金刚石薄膜结构与性能的影响

利用中频脉冲非平衡磁控溅射技术在不同的基体温度下制备了类金刚石(DLC)薄膜,采用Raman光谱、X射线光电子能谱(XPS)、纳米压痕测试仪、椭偏仪对所制备DLC薄膜的微观结构、机械性能、光学性能进行了分析。Raman光谱和XPS结果表明,当基体温度由50℃增加到100℃时,DLC薄膜中的sp3杂化键的含量随基体温度的升高而增加,当基体温度超过100℃时,DLC薄膜中的sp3杂化键的含量随基体温度的升高而减少。纳米压痕测试表明,DLC薄膜的纳米硬度随基体温度的增加先增加而后减小,基体温度为100℃时制备的薄膜的纳米硬度最大。椭偏仪测试表明,类金刚石薄膜的折射率同样随基体温度的增加先增加而后减小,基体温度为100℃时制备的薄膜的折射率最大。以上结果说明基体温度对DLC薄膜中的sp3杂化键的含量有很大的影响,DLC薄膜的纳米硬度、折射率随薄膜中的sp3杂化键的含量的变化而变化。

磁控溅射技术新进展及应用

主要简介了磁控溅射技术的基本原理、基本装置、近年来出现的新技术(多靶磁控溅射技术、磁场扫描法、非平衡磁控溅射、脉冲磁控溅射技术、磁控溅射技术与其它成膜技术相结合等),以及国内外利用磁控溅射技术在多层膜和化合物薄膜制备方面取得的一些成果。

中频脉冲非平衡磁控溅射技术制备类金刚石膜的结构与性能

利用中频脉冲非平衡磁控溅射技术在载玻片上制备了类金刚石(DLC)薄膜,研究了沉积气压对薄膜厚度、微观结构、机械性能和光学性能的影响。厚度测试结果表明,DLC膜厚度随沉积气压的增加而增加。X射线光电子能谱测试结果表明,当沉积气压由0.18Pa增加到1.50Pa时,DLC薄膜中sp^3杂化碳含量随沉积气压的增加而减少。纳米压痕和椭偏仪测试结果表明,DLC膜的纳米硬度、折射率均随沉积气压的增加而减小。采用浅注入模型分析了沉积气压对薄膜生长和键合结构的影响。以上结果表明,沉积气压对DLC膜的厚度、sp^3杂化碳含量、机械与光学性能具有较大的影响。

带有反向正脉冲的HiPIMS技术制备ta-C膜及性能研究

目的提高切削刀具和耐磨零件的表面硬度和摩擦性能,延长工具的使用寿命。方法基于高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS),在每个脉冲周期尾部施加反向正脉冲,控制ta-C沉积过程,通过电镜测试、拉曼测试、XPS测试、纳米压痕硬度测试、摩擦磨损实验分别分析脉冲频率、反向正脉冲能量对ta-C薄膜沉积速度、膜结构、硬度、结合强度、耐磨性能的影响。结果采用钨钢为基体进行实验,将频率从4000 Hz到1500 Hz依次降低,制备涂层。在频率为4000 Hz的处理条件下制备涂层时,ta-C膜层的厚度为479.2 nm,通过XPS可知,此时sp^(3)的原子数分数达到59.53%,硬度为32.65 GPa,且得到的薄膜在12.7 N时失效,耐磨性较差,摩擦因数约为0.163。在频率为1500 Hz的处理条件下制备涂层时,涂层各项性能均有所提升,ta-C膜层的厚度为488.6 nm,通过XPS可知,此时sp^(3)的原子数分数达到63.74%,硬度为40.485 GPa,且薄膜在14.9 N时失效,耐磨性较优,摩擦因数约为0.138。结论通过调节脉冲频率,可以有效提高ta-C薄膜的沉积效率,改善膜的结构和性能。随着沉积ta-C薄膜频率的降低,薄膜中sp^(3)的含量呈现增大趋势,摩擦因数也随之降低,有效改善了ta-C膜的耐磨性。

双脉冲磁控溅射峰值靶电流密度对TiN薄膜结构与力学性能的影响

自主研发了双脉冲磁控溅射技术,提出在一个脉冲周期内电流呈阶梯式上升的双脉冲电场设计理念,通过对2个脉冲阶段持续时间和峰值靶电流密度的调配,既满足提高镀料粒子动能与离化率以制备高性能薄膜的工艺要求,又达到增加脉冲持续时间以提高薄膜沉积速率的效能目标。采用双脉冲磁控溅射技术,在后期脉冲阶段的不同峰值靶电流密度下制备4组TiN薄膜,研究了峰值靶电流密度对薄膜微观结构和力学性能的影响。结果表明,将峰值靶电流密度提高至0.87 A/cm^2时,所制备的TiN薄膜呈现出颗粒细小且致密的组织,平均晶粒尺寸为17 nm。同时,薄膜的显微硬度和膜基结合力可分别达29.5 GPa和30.0 N。

HIPIMS技术制备CrN及CrAlN涂层的性能

用高能脉冲靶和双极脉冲靶共溅射的方式,采用高功率脉冲磁控溅射技术(HIPIMS)在高速钢基片(W18Cr4V)上制备了CrN涂层和CrAlN涂层((H+B)CrN、(H+B)CrAlN);同时采用第四代电弧离子镀技术(ARC evaporators)在高速钢基片上制备了CrN涂层和CrAlN涂层(ARC CrN、ARC CrAlN)。采用划痕试验、X射线衍射、扫描电镜和电化学腐蚀测试等研究了涂层的形貌和性能。结果表明:共溅射制备的涂层膜基结合力更强,临界载荷最高可达到72.2 N,表面晶粒更细小,缺陷少,横截面组织致密;同时该方法制备的CrAlN((H+B)CrAlN)涂层的高温抗氧化性能最佳;共溅射制备的涂层的耐腐蚀性能比电弧离子镀制备的涂层更好。

高引燃脉冲新HiPIMS模式对TiN/CrN多层膜结构和性能的影响

多层TiN/CrN薄膜能显著改善复杂环境下部件的性能和寿命,为获得性能良好的TiN/CrN多膜层,提出一种高引燃脉冲新HiPIMS模式(高功率脉冲磁控溅射技术)的新放电技术,在一到四引燃脉冲个数条件下制备TiN/CrN多层薄膜。结果表明,随着引燃脉冲个数的增加,TiN/CrN薄膜膜基结合力增加,三引燃脉冲条件下结合力达到HF1(压痕法结合力指标,HF1为性能良好)压痕边缘膜层出现碎裂但膜层并未崩裂,在四引燃脉冲条件下膜基结合力也为HF1,且相较三引燃脉冲膜层碎裂也消失,膜基结合力最佳。同时,随着引燃脉冲个数的增加,膜层的粗糙度下降,磨痕变窄,硬度增强,硬度的波动范围减小,薄膜摩擦因数逐渐降低,四引燃脉冲条件下摩擦因数为0.25,膜层厚度呈先增加后减小的趋势,在三引燃脉冲个数条件下达到最大值332.1 nm试验结果表明引燃脉冲能够强化膜层与基体之间的结合力,硬度以及摩擦磨损的性能,细化晶粒。

HiPIMS的放电特性及其对薄膜结构和性能的调控

磁控溅射过程中的等离子体密度和离化率这些等离子体微观放电特性强烈影响着沉积薄膜的微观结构和性能,高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)凭借其较高的溅射粒子离化率的优势引起了广泛的研究和关注。为了探究HiPIMS的高离化率的产生原因和过程,掌握高功率脉冲磁控溅射技术对薄膜微观结构和性能的调控规律,从一般的磁控溅射技术原理出发,分析HiPIMS高离化率的由来及其与DC磁控溅射相比的技术优势,着重总结HiPIMS的宏观放电特点和微观等离子体特性;总结梳理近几年HiPIMS在硬质膜和透明导电薄膜领域的应用研究,明晰HiPIMS对薄膜微观晶体结构的影响及其对薄膜的力学、光电性能等的调控规律及其优势。HiPIMS独特的等离子体-靶相互作用,可以有效改善薄膜结晶特性,实现对光电性能的可控调控。

HiPIMS复合热处理制备高纯Ti_(2)AlC MAX相涂层

Ti_(2)AlC MAX相涂层是一类兼具金属和陶瓷特性的具有密排六方结构的高性能陶瓷涂层,在电接触、高温防护、宽温域摩擦等领域具有广阔的应用前景。然而MAX相涂层的成相成分窗口窄,性能受杂质相影响大,实现高纯、致密Ti_(2)AlC MAX相涂层的制备目前仍存在挑战。考虑沉积气压与溅射等离子体能量密切相关,采用高功率脉冲复合直流磁控溅射技术在钛合金基体上制备了TiAl/Ti-Al-C涂层,经后续热处理退火得到高纯Ti_(2)AlC MAX相涂层,重点研究不同沉积气压对涂层退火前后的成分、微观结构以及力学性能的影响和作用机制。结果表明,随着气压不断增大,沉积态涂层厚度先增加后减少。其中低沉积气压下沉积态涂层退火后,结构中除了Ti_(2)AlC MAX相外,还含有一定量杂质相;而在高气压下沉积态涂层退火后几乎全部转变为Ti_(2)AlC MAX相,呈现高纯、表面光滑致密的MAX相涂层特征。相较于沉积态涂层,退火后的涂层硬度变化不大,但由于生成了Ti_(2)AlC MAX相,涂层弹性模量有所提高。

辅助气体组成对类金刚石薄膜结构和性能的影响

分别以氩气-甲烷、氩气-乙炔为辅助气体,高纯石墨为靶材,利用中频脉冲非平衡磁控溅射技术制备了类金刚石薄膜。采用Raman光谱、X射线光电子能谱、纳米压痕测试仪、原子力显微镜对所制备类金刚石薄膜的键结构、机械性能、表面形貌进行了分析。Raman光谱和X射线光电子能谱测试结果表明,以氩气-甲烷为辅助气体制备的类金刚石薄膜中sp3杂化键的含量比以氩气-乙炔为辅助气体制备的类金刚石薄膜的高。纳米压痕测试结果表明,以氩气-甲烷为辅助气体制备的类金刚石薄膜的纳米硬度比以氩气-乙炔为辅助气体的高。原子力显微镜测试结果表明,以氩气-甲烷为辅助气体制备的类金刚石薄膜的RMS表面粗糙度比以氩气-乙炔为辅助气体的低。以上结果说明辅助气体组成对类金刚石薄膜的键结构、机械性能、表面形貌有较大的影响。

甲烷压强对类金刚石薄膜结构与性能的影响

以氩气、氩气-甲烷为辅助气体,高纯石墨为靶材,采用脉冲非平衡磁控溅射技术制备了无定形碳膜(a—C)及氢化无定形碳膜(a—C∶H)。利用台阶仪、傅里叶红外光谱、Raman光谱、纳米压痕测试仪、椭偏仪对所制备类金刚石膜的沉积速率、结构、力学性能、折射率随甲烷气体含量的变化进行表征。结果表明:甲烷压强对类金刚石膜的结构与性能具有较大影响;类金刚石膜的沉积速率和键合氢的含量随着甲烷压强的增加而增加,但是薄膜中的sp3杂化碳的含量随着甲烷压强的增加而减小;类金刚石膜的纳米硬度和折射率均随甲烷压强的增加而减小。

CrAlSiN纳米复合涂层的制备与组织结构表征

采用Cr靶、Si靶和Al靶作为靶材,利用高功率脉冲磁控溅射系统在304不锈钢和单晶硅片(100)基片表面沉积CrAlSiN纳米复合涂层,并测定其显微组织结构和力学性能。结果表明,该纳米涂层的主要相结构为单一的fcc-(Cr,Al)相,结构致密,与基体的结合力可达25 N。