高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层结构调控与性能研究

采用高功率调制脉冲磁控溅射Al/（Al＋Ti）原子比（x）分别为0.25、0.5和0.67的TiAlSi合金靶,溅射功率1～4kW,氮气分压25%,工作气压0.3Pa,在Si（100）和AISI304奥氏体不锈钢基片上沉积了TiAlSiN纳米复合涂层。TiAlSiN涂层中氮含量保持在52.0at%～56.7at%之间,均形成了nc-TiAlN/a-Si3N4/AlN纳米晶/非晶复合结构。随着原子比x增加,非晶含量增加,涂层硬度先升高而后降低。当x=0.5时,硬度最高可达28.7GPa。溅射功率升高可提高溅射等离子体中金属离化程度,促进涂层调幅分解的进行,形成了界面清晰的非晶包裹纳米晶结构,且晶粒尺寸基本保持不变。当x=0.67时,溅射功率由1kW上升到4kW时,硬度由16.4GPa升至21.3GPa。不同靶材成分和溅射功率条件下沉积的TiAlSiN涂层的磨损率为（0.13～6.25）×10^-5mm^3/（N·m）,具有优良的耐磨性能。当x=0.67,溅射功率2kW时,nc-TiAlN/a-Si3N4纳米复合涂层具有最优的耐磨性能。

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层对钛合金基体抗氧化性能的影响研究

目的研究Ti6Al4V基TiAlSiN涂层在800℃下的抗循环氧化性能。方法采用高功率调制脉冲磁控溅射技术,通过调节N2/Ar的流量比fN2,在Ti6Al4V合金和Si(100)上沉积了一系列不同Si含量的TiAlSiN涂层。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子探针、透射电镜和纳米压痕仪,表征了TiAlSiN涂层的成分、相组成、微结构和硬度,并通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜,进一步对Ti AlSiN涂层在800℃下循环氧化后的微观结构和形貌进行分析。结果脉冲平均功率为2k W时,fN2由10%增至30%,TiAlSiN涂层的Si含量(以原子数分数计)由6.1%增加至16.4%,涂层中Ti和Al含量则相应地降低。当fN2为10%时,TiAlSiN涂层呈现典型的X射线非晶结构特征,涂层中N含量(以原子数分数计)约为47%;当fN2为30%时,TiAlSiN涂层呈现Ti Al N和非晶相的混合结构。TEM结果表明,涂层中TiAlN晶粒尺寸约为5nm并均匀镶嵌在非晶相上。所有沉积于Si基底上的TiAlSiN涂层均具有相近的纳米硬度、弹性模量及残余应力,分别为17 GPa、225 GPa和–300 MPa。选取fN2为10%和25%,溅射具有不同氮含量和特征微结构的TiAlSiN涂层作为Ti6Al4V合金防护涂层,研究涂层的抗循环氧化性能。在800℃高温循环氧化70h后,TiAlSiN涂层保护的合金样品较原始样品呈现更优异的抗氧化性能,且fN2为25%制备的高Si含量TiAlSiN涂层较fN2为10%制备的涂层具有更为优异的抗循环氧化性能。循环氧化后,TiAlSiN氧化层结构完整致密并呈现柱状晶特征,氧化层由上至下分别形成富α-Al2O3、a-TiO2及r-TiO2三层结构。结论高Si含量的TiAlSiN涂层具有更低的氧化速率,涂层的纳米复合结构和低压缩应力是其抗循环氧化能力提高的主要原因。

高功率调制脉冲磁控溅射沉积NbN涂层特征工艺参数研究

目的研究不施加基片温度和固定Ar/N2流量比为64/16的条件下,微脉冲占空比、充电电压特征工艺参数与负偏压对NbN涂层相组成、微结构和力学性能的影响。方法采用高功率调制脉冲磁控溅射技术(MPPMS),通过控制微脉冲占空比、充电电压和负偏压等特征工艺参数,沉积一系列具有不同相组成的NbN涂层,通过X射线衍射仪、纳米压痕仪和维氏硬度计,分别表征NbN涂层的相组成、结构、硬度和韧性,并通过扫描电子显微镜(SEM)对NbN生长形貌和压痕形貌进行观察分析。结果改变微脉冲占空比和充电电压,所有NbN涂层均由δ-NbN和δ.-NbN组成,施加基片偏压后,NbN涂层主要由δ.-NbN组成。所有的NbN涂层均呈现致密柱状晶结构,且提高微脉冲占空比、充电电压和负偏压,制备的NbN涂层均更加致密。随微脉冲占空比升高,涂层硬度由25GPa增至36GPa,涂层的韧性逐渐增加。提高充电电压制备的NbN涂层,其表现出与控制微脉冲占空比制备的涂层相似的规律。施加负偏压后,涂层主要由δ.-NbN组成,涂层的硬度和韧性均下降。结论两相结构和高致密性是使NbN涂层硬度和韧性同时增强的主要因素。

调制脉冲磁控溅射峰值靶功率密度对纯Ti镀层沉积行为的影响（英文）

调制脉冲磁控溅射可通过改变强、弱离化阶段的脉冲强度和占空比等电场参量,大幅调控镀料粒子的离化率、沉积能量和数量,实现对沉积镀层形核与生长过程的精确把控。在非平衡闭合磁场条件下,采用调制脉冲磁控溅射技术,通过对其强离化脉冲阶段的脉冲宽度和靶功率进行调控获得持续增大的峰值靶功率密度,并在此条件下制备多组纯Ti镀层,对其微观形貌和力学性能进行了检测分析。结果表明,当强离化脉冲阶段的峰值靶功率密度由0.15 k W·cm^-2持续增大至0.86 k W·cm-2时,所制备的纯Ti镀层具有11 nm的平均晶粒尺寸,且较其他峰值靶功率密度条件下的制备镀层具有更为致密的组织结构、平整的表面质量(表面粗糙度Ra为11 nm)和良好的力学性能。

靶基距对Cu/Si(100)薄膜结构和残余应力的影响

采用高功率调制脉冲磁控溅射(MPPMS)技术在Si(100)基体上沉积Cu薄膜,SEM观察薄膜厚度及生长特征、XRD分析薄膜晶体结构、nanoindentor测量薄膜纳米硬度和弹性模量、Stoney公式计算薄膜残余应力,研究沉积过程靶基距对Cu/Si(100)薄膜沉积速率、微结构及残余应力的影响。随着靶基距的增大,薄膜沉积速率降低,薄膜的生长结构由致密T区向I区转变,Cu(111)择优生长的晶粒逐渐减小,薄膜纳米硬度和弹性模量也相应降低,残余拉应力约为400 MPa。较小靶基距时增加的沉积离子通量和能量,决定了薄膜晶粒合并长大体积收缩过程的主要生长形式,导致了Cu/Si(100)薄膜具有的残余拉应力状态。MPPMS工艺的高沉积通量和粒子能量可实现对Cu/Si(100)薄膜残余应力的调控。

离子轰击对致密T区结构Cr薄膜残余应力的影响

对于能量沉积技术,离子轰击是独立于晶粒尺寸之外影响残余应力的重要因素,沉积束流能量和通量是决定残余应力演化的关键参数。本研究分别采用高功率调制脉冲磁控溅射(modulated pulsed power magnetron sputtering,MPPMS)和高功率深振荡磁控溅射(deep oscillation magnetron sputtering, DOMS)控制沉积Cr薄膜的束流能量和通量,在相近的平均功率下调节微脉冲参数对峰值电流和峰值电压进行控制,进而实现离子轰击对本征残余应力控制。MPPMS和DOMS沉积的Cr薄膜厚度分别控制在0.1、0.2、0.5、1.0、1.5和3.0μm,并对残余应力进行对比研究。所有沉积的Cr薄膜均呈现Cr(110)择优取向,且形成了晶粒尺寸相当的致密T区结构。较之MPPMS,DOMS沉积Cr薄膜更呈现残余压应力特征。当Cr薄膜厚度小于0.5μm时,DOMS沉积Cr薄膜的残余应力表现出较高的压应力;进一步增加膜厚,残余应力逐渐受残余拉应力控制。在薄膜生长过程中,离子轰击在薄膜生长初期对残余应力贡献不大,当薄膜生长较厚时,离子能量对薄膜残余应力影响明显。离子能量是影响残余压应力形成的重要因素,高能量离子轰击有利于残余压应力的形成和控制。

纳米CrN_(x)涂层相组成、结构及力学性能研究

采用高功率调制脉冲磁控溅射(modulated pulsed power magnetron sputtering,MPPMS)和脉冲直流磁控溅射(pulsed direct current magnetron sputtering,PDCMS)复合沉积CrN_(x)涂层,通过调节氮气流量比及溅射功率,研究了氮气/氩气流量比、PDCMS溅射功率及MPPMS溅射功率等工艺参数对CrN_(x)涂层成分、相组成、微结构和力学性能的影响。通过电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪及维氏硬度计等,分别对CrN_(x)涂层的成分、相组成、微结构、形貌、硬度及断裂韧性等进行表征。结果表明,当PDCMS溅射功率从700 W增加到1000 W,MPPMS峰值功率增加43.5%,涂层中Cr含量(原子分数)由61.0%增加到65.4%,N含量由39.0%减少到34.6%,而CrN_(x)涂层主要由Cr_(2)N相组成。随着溅射功率的增大,CrN_(x)涂层硬度变化不大,均在20 GPa左右,而涂层的致密性和断裂韧性均得到明显提升。流量比由15%增加至50%,MPPMS的峰值电流和峰值功率均先减小后增大,涂层的物相逐渐由Cr_(2)N向CrN转变。当氮气流量比为35%时,CrN_(x)涂层由Cr_(2)N和CrN两相组成,受两相结构的影响,CrN_(x)涂层的硬度值、残余压应力值和断裂韧性值均达到最大值,分别为20.1 GPa、-901.8 MPa和6.5 MPa·m1/2。电子温度应为CrN_(x)涂层相结构变化的主要驱动力,致密性和两相结构是影响CrN_(x)涂层断裂韧性的主要原因。