N_2流量比对复合磁控溅射Zr-B-N薄膜结构和性能的影响

目的在反应沉积时补充金属离子,增加薄膜中金属氮化物硬质相的数量,优化复合磁控溅射Zr-B-N薄膜的制备工艺,揭示N_2流量比(N_2/(N_2+Ar))对Zr-B-N薄膜结构和性能的影响规律,进一步强化Zr-B-N纳米复合薄膜。方法采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术沉积Zr-B-N薄膜,借助X射线衍射仪、能谱仪、扫描电镜、纳米压痕仪、划痕测试仪和摩擦试验机,研究N_2流量比对Zr-B-N薄膜成分、微观结构、力学性能和摩擦性能的影响。结果Zr-B-N薄膜具有典型的纳米复合结构,即BN非晶层包裹着ZrB_2、Zr_3N_4、Zr_2N、Zr N等纳米晶,所有Zr-B-N薄膜均沿(100)晶面择优生长。随着N_2流量的增加,(100)晶面的衍射峰宽化加剧;薄膜硬度由36.2 GPa下降到21.0 GPa;膜/基结合力逐渐增强,临界载荷从34.8 N增加到55.8 N;摩擦系数逐渐增大。当N_2流量比为42.9%时,摩擦系数相对较低,约为0.48,归因于薄膜内形成了沿(220)晶面生长的ZrN相,从而起到了良好的减摩作用。结论当N_2流量比为42.9%时,Zr-B-N薄膜具有纳米复合结构和良好的各项性能。