Ti-Si-N纳米复相薄膜及Si含量对脉冲直流PCVD镀膜质量的影响

用工业型脉冲直流等离子体增强化学气相沉积(PCVD)设备,在高速钢(W18Cr4V)表面沉积Ti-Si-N三元薄膜,研究了不同N2流量对薄膜组织及性能的影响.结果表明;随N2流量增大,膜层沉积速率及膜层中Si含量减少,薄膜组织趋于致密,膜层颗粒尺寸明显减小,划痕法临界载荷和显微硬度显著增加,硬度最高可达50GPa以上.研究发现,对应N2流量,薄膜相组成发生变化,依次存在有TiN/a-Si3N4/Si,TiN/a—Si3N4/TiSi2/Si,TiN/a-Si3N4/TiSi2三种相组成形式.分析认为,低N2或高Si效果不佳的原因在于直流PCVD是以工件为阴极,膜层中过多的Si3N4和Si将严重劣化阴极的电导性,致使膜层疏松,说明脉冲直流PCVD与射频PCVD存在很大的区别.

Si含量和基片温度对Ti-Si-N纳米复合薄膜的影响

通过多靶磁控反应溅射方法沉积了 Ti- Si- N系纳米复合薄膜 .采用电子能谱仪 (EDS)、X-射线衍射 (XRD)、透射电子显微镜 (TEM)、X-射线光电子能谱 (XPS)和显微硬度仪分析 Ti- Si- N系薄膜的微观结构和力学性能 ,以及基片温度对薄膜微结构和硬度的影响 .结果表明 ,薄膜中的 Si以非晶 Si3 N4形式抑制 Ti N晶粒的生长 ,使之形成纳米晶甚至非晶 ;薄膜硬度在 a(Si) =4.1 4 %时达到最大值 (36GPa) ,继续增加 Si的含量 ,薄膜硬度逐渐降低 .基片温度的提高减弱了 Si3 N4对Ti N晶粒长大的抑制作用 。

Ti-Si-N复合膜的微结构及性能研究

为研究Si的加入及含量对薄膜结构和性能的影响，采用磁控反应溅射法制备了一系列不同Si含量的n—Si—N复合膜，采用XRD、微力学探针和SEM研究了薄膜的微结构、力学性能和抗氧化性。结果表明：随着Si含量的增加，薄膜晶粒尺寸减小，硬度升高，抗氧化性能提高。Si含量为4％-12％（原子数分数）时，晶粒尺寸随含量增加而急剧下降；当Si含量超过9％时，薄膜硬度处于峰值区；Si含量在7％以上时，薄膜具有较高的抗氧化能力。探讨了n-Si—N复合膜硬度升高和抗氧化能力提高的机理：

脉冲直流PCVD制备Ti-Si-N薄膜的电化学腐蚀行为

用工业型脉冲等离子体增强化学气相沉积设备,在550℃的高速钢基材表面沉积由纳米晶TiN,纳米非晶Si3N4以及纳米或非晶TiSi2组成的复相薄膜.通过改变氯化物混合比例调节薄膜的成分.薄膜中的Si含量在0 at%～35 at%范围内变化.结果表明,当加入少量Si元素后,由于非晶相的产生,TiN薄膜的耐腐蚀性能显著提高,并在一定Si含量的薄膜中发生了负腐蚀现象.但由于Si的低导电性能,致使高硅含量薄膜颗粒粗大,因此更高Si含量薄膜的耐腐蚀性能又有所下降.

磁控溅射制备Ti-Si-N纳米薄膜的摩擦磨损性能

采用磁控溅射方法在1Cr18Ni9Ti不锈钢基体上沉积Ti-Si-N纳米薄膜。结果发现：随着si含量增加,薄膜的晶粒尺寸逐渐变小,晶粒尺寸范围在3nm～20nm之间。薄膜的显微硬度相对于TiN有明显增加,最大硬度可达43.5GPa。Si元素的加入亦改善了膜基结合强度。同时发现,Ti-Si-N纳米薄膜的摩擦系数和比磨损率随着Si含量的增加先减小后增加,其高温摩擦系数明显低于常温,但比磨损率却有显著提高。

Ti-Si-N薄膜生长过程的计算机模拟

首次应用修正嵌入原子法(MEAM)以及动力学蒙特卡洛方法(KMC)对Ti-Si-N薄膜的生长过程进行了计算机仿真模拟。在合理选择势函数及MEAM各项参数的基础上,利用编程软件仿真在不同基底温度下的薄膜生长过程。与采用传统简单的Mouse势进行模拟的结果相比,这种新方法的模拟结果更加准确,与实验结果更加吻合。仿真结果表明:基底温度对Ti-Si-N薄膜的形成过程有着直接的影响,当基底温度为800 K时,岛所形成的形貌最为理想,缺陷率最低。

多弧-磁控溅射法制备Ti-Si-N纳米复合涂层及涂层的结构和力学性能

用内外靶配置的多弧-磁控溅射技术在单晶硅和硬质合金上制备Ti-Si-N纳米复合涂层,研究衬底偏压和Si靶溅射电流对涂层结构和力学性能的影响,经过实验参数优化,在偏压为-150 V、Si靶电流为15 A的沉积条件下,得到Si的原子分数为6.3%的Ti-Si-N纳米复合涂层。X射线衍射、X射线光电子能谱和透射电镜分析表明,涂层中含有晶态TiN和非晶Si3N4,纳米尺寸的TiN颗粒镶嵌在非晶Si3N4基体结构中。纳米硬度计测试表明涂层的显微硬度为40 GPa,摩擦学实验表明其摩擦因数为0.89,可满足Ti-Si-N纳米复合涂层的工业化应用要求。

Ti-Si-N纳米复合薄膜的结构与性能

用工业型脉冲直流等离子体增强化学气相沉积技术,在高速钢(W18Cr4V)表面沉积了Ti-Si-N复合薄膜,研究了Ti-Si-N复合薄膜的微观组织和力学性能.结果显示,薄膜相结构为纳米晶TiN和纳米晶或非晶TiSi2以及非晶相Si3N4;在Si含量为5.0 at%～28.0 at%范围内,薄膜的晶粒尺寸逐渐变大;Ti-Si-N薄膜的显微硬度相对于TiN有明显增加,最高硬度可达40 GPa;高温退火后,Ti-Si-N纳米复合薄膜的显微硬度与晶粒尺寸在800℃高温下仍然保持稳定.

磁控溅射和脉冲直流化学气相沉积Ti-Si-N薄膜摩擦磨损性能对比研究

分别利用磁控溅射和脉冲直流化学气相沉积(PCVD)技术制备了Ti-Si-N薄膜,测定了2种Ti-Si-N薄膜的显微硬度,并采用球-盘式高温摩擦磨损试验机对比考察了其高温摩擦磨损性能.结果表明,当薄膜中Si含量(原子分数)约为10%时,2种薄膜的显微硬度达到最大值;2种Ti-Si-N薄膜的耐磨性能同其硬度之间不存在对应关系,其中采用PCVD方法制备的Ti-Si-N薄膜的高温抗磨性能较优;2种薄膜在高温下的摩擦系数均有所降低,这归因于高温下氧化膜的润滑作用.

Ti-Si-N结构及热力学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,研究了具有置换型界面的Ti-Si-N的结构、弹性常数及热力学性质。在计算热力学性质时,先计算一组不同晶格常数下的Ti-Si-N的声子谱及相应的静态总能,由此得到不同晶格常数下的自由能;再由准谐近似及自由能极小判据得到自由能与温度的关系,进而计算热膨胀系数、定容摩尔热容及定压摩尔热容与温度的关系。计算结果说明制备Ti-Si-N及类似薄膜时,要选择合适的基底、温度等条件。

偏压对Ti-Si-N纳米复合膜结构和性能的影响

以高纯Ti和Si为靶材,在不同偏压下于Ar/N2气氛中溅射沉积了Ti-Si-N纳米复合膜,采用原子力显微镜、X射线衍射(XRD)和划痕法研究了复合膜的结构、界面结合力和摩擦系数与偏压的关系.实验结果显示,溅射Ti-Si-N膜层结构为nc-TiN/a-Si3N4/a-和nc-TiSi2复合结构.纳米复合膜的XRD谱图出现(200)、(111)、(220)和(222)面衍射峰,其中的择优取向为(200)面.在偏压为-150V时,薄膜XRD谱图中出现TiSi2(311)面衍射峰.发现适当施加负偏压,有利于获得细小、均匀、致密和平整的Ti-Si-N纳米复合膜.在偏压为-120V时沉积的复合膜组织和性能最好,其表面粗糙度为3.26nm,界面结合强度为53N,平均摩擦系数为0.11.说明偏压对磁控溅射Ti-Si-N纳米复合膜的微结构和性能有明显影响.

磁控溅射Ti-Si-N纳米复合超硬膜的研究

传统的TiN膜具有硬度高、耐磨、耐腐蚀及其他优良的性能,在刀具、工磨具等已经有了广泛的应用。随着科技的发展,近年来许多科技工作者都企图采用多种方法来进一步改善TiN薄膜,其中包括添加Al,Si,C,B等合金元素至TiN膜中,以改善起组织结构和性能。自从S.Veprek首先报道采用CVD的方法制备Ti-Si-N纳米复合膜后,由于Ti-Si-N膜具有nc-TiN/a-Si_3N_4组织结构,即纳米尺寸的TiN嵌镶在非晶Si_3N_4基体中,Ti-Si-N类纳米复合超硬膜以其高硬度、耐磨性、优良的热稳定性和化学稳定性引起了人们的普遍关注。采用钛硅复合靶,通过控制反应磁控溅射的各工艺参数制得了一系列Ti-Si-N膜,并借助能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、纳米压入仪和划痕仪对膜层的成分、结构和力学性能进行了分析。结果发现,可方便地通过改变氮气分压的方法来调整Ti、Si元素含量比、微观组织结构及力学性能。少量氮气的加入能制得纳米硬度高达53GPa的Ti-Si-N超硬膜,而随着氢气分压的增加,膜层中TiN相和Si_3N_4相的比例减小,纳米硬度逐渐下降,同时,TiN晶粒的平均尺寸也逐渐减少。

Ti-Si-N纳米复合超硬薄膜的高温热稳定性

用脉冲直流等离子体增强化学气相沉积(PCVD)方法在高速钢(HSS)基体上制备了Ti-Si-N薄膜,重点从不同温度退火后薄膜相结构、晶粒尺寸和显微硬度的变化等方面,探讨了不同Si含量的Ti-Si-N薄膜的高温热稳定性。结果表明:Ti-Si-N薄膜在900℃以内退火处理后,晶粒尺寸和显微硬度并无明显突变,尤其是Si含量较低时,在800℃,晶粒尺寸和显微硬度几乎没有变化,表明Ti-Si-N薄膜具有非常良好的高温热稳定性,这可能与薄膜相形成在高温下仍为调幅分解有关。

Ti-Si-N纳米复合薄膜的制备及其力学性能

采用离子束溅射与磁过滤阴极弧共沉积技术在单晶硅片（400）表面制备Si含量（摩尔分数）为3.2%~15.5%范围内的TiSiN薄膜。采用X射线光电子能谱（XPS）、电子散射谱（EDS）、X射线衍射仪（XRD）研究TiSiN薄膜的显微结构和力学性能。结果表明：低Si含量的薄膜以面心立方晶型的Ti（Si）N固溶体形式存在,择优晶面为（200）面;当Si含量饱和后,出现Ti（Si）N和Si3N4非晶相,形成Ti（Si）N/Si3N4纳米复合结构。薄膜硬度范围在22~26GPa,采用Si3N4小球为对偶时薄膜的摩擦因数均维持在0.13~0.17之间。Si含量为10.9%时,硬度达最大值,结合较低的粗糙度,使其摩擦因数和磨损率达到最低值。

Ti-Si-N纳米超硬膜的研究进展

随着现代工业对材料表面涂层的要求不断提高,Ti-Si-N膜以其独特的纳米复合结构、超硬性及其他优异的力学性能成为研究的热点。本文综述了Ti-Si-N纳米复合膜的制备工艺以及工艺参数对Ti-Si-N膜的微观结构与力学性能的影响。

纳米晶Ti-Si-N超硬复合涂层的研究进展

本文对纳米晶Ti-Si-N超硬涂层材料国内外研究进展进行了系统的回顾,着重分析了制备方法(等离子增强化学气相沉积,等离子辅助化学气相沉积,直流磁控溅射和射频磁控溅射等)、工艺参数(沉积温度,进气比)和硅含量对Ti-Si-N微观结构、硬度、抗氧化性、耐腐蚀性和耐磨性的影响。在合适的工艺条件下,能获得硬度最高的纳米TiN晶体镶嵌在非晶态的Si3N4基体上的复合涂层(nc-TiN/a-Si3N4)。该涂层有良好的性能并将得到广泛的应用。

反应溅射Ti-Si-N纳米晶复合薄膜的微结构与力学性能

采用Ar、N2 和SiH4混合气体反应溅射制备了一系列不同Si含量的Ti Si N复合膜 ,用EDS、XRD、TEM和微力学探针研究了复合膜的微结构和力学性能。结果表明 ,通过控制混合气体中SiH4分压可以方便地获得不同Si含量的Ti Si N复合膜。当Si含量为 (4～ 9)at%时 ,复合膜得到强化 ,最高硬度和弹性模量分别为 34 2GPa和 398GPa。进一步增加Si含量 ,复合膜的力学性能逐步降低。微结构研究发现 ,高硬度的Ti Si N复合膜呈现Si3 N4界面相分隔TiN纳米晶的微结构特征 ,其中TiN纳米晶的直径约为 2 0nm ,Si3 N4界面相的厚度小于 1nm。

反应磁控溅射制备Ti-Si-N薄膜的摩擦磨损性能

用反应磁控溅射方法,在不锈钢表面沉积Ti Si N薄膜。用原子力显微镜观察薄膜的表面形貌,Ti Si N颗粒尺寸小于0.1μm,用亚微压入仪测试薄膜硬度,当硅的摩尔分数为9.6%时,薄膜硬度出现最大值47GPa。球盘式摩擦磨损结果表明,Ti Si N薄膜的耐磨性能明显优于TiN薄膜,加入少量硅元素后,TiN薄膜的抗磨损性能有显著提高,但Ti Si N薄膜的室温摩擦系数较高(0.6～0.8),高温下摩擦系数也仅轻微降低(550℃,0.5～0.6)。由于Ti Si N薄膜的摩擦系数可能与磨损中氧化物生成量的增加有关,常温下Ti Si N薄膜的摩擦系数随硅摩尔分数的增加而增大,而高温下Ti Si N薄膜的摩擦系数随硅含量上升而降低。