HIPIMS技术制备CrN涂层及其结构与力学性能的研究

摘要

CrN涂层具有较高的硬度、优良的韧性和摩擦磨损以及热稳定性和抗高温氧化性等优点，在切削刀具、模具、航空航天、装饰等领域具有非常广泛的应用前景，目前制备CrN涂层的主要方法有电弧离子镀、普通直流磁控溅射。电弧离子镀具有高离化率沉积涂层硬度高以及膜基结合力好等优点，然而电弧温度过高容易产生大液滴导致涂层表面粗糙和光学性能差，并且当涂层沉积厚度增加时涂层内应力也相应的增加。而普通的直流磁控溅射沉积的涂层表面光滑，但是溅射出来的粒子大多数以原子状态存在，离化率低（约1％），涂层的硬度、膜基结合力等较差。高功率脉冲磁控溅射技术（High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS）聚集了电弧离子镀和普通磁控溅射的优点其具有较高的离化率、无大颗粒，沉积的涂层致密光滑，性能优异，近年来已得到国内外研究学者们的广泛关注。本论文采用高功率脉冲磁控溅射技术制备CrN涂层，并重点研究电源放电特性、气压、脉冲电压、基体偏压对CrN涂层的结构和力学性能的影响。相关的研究结果旨在实现HIPIMS技术制备高性能的CrN涂层技术突破，为其在刀具切削、模具、航天航空、微电子等领域的应用提供理论基础和技术支撑。
　　研究结果表明:脉冲电压和气压对电源的脉冲电流影响较大，随着脉冲电压的增加，脉冲电流大幅度增加，表明靶材的离化率得到了很大的提高。在气体足够电离形成等离子体的情况下，气压是影响腔体内部粒子自由程的关键因素，气压越大，粒子的自由程越小，碰撞愈强烈，粒子的能量损失越大，导致随着气压的增加，脉冲电压减小。
　　在气压为4 mtorr时CrN涂层具有较高的硬度为18 GPa，平均粗糙度为5nm，随着气压的增加，涂层的硬度和粗糙度等性能都相应的变差，在气压为8 mtorr时CrN涂层的硬度为9.52 GPa粗糙度达到最大为23.7 nm。
　　脉冲电压的改变对涂层的沉积速率影响较小，随着脉冲电压的增加，涂层均由单相CrN组成，衍射峰主要为(111)、(200)、(220)面，各特征峰的衍射峰变宽，峰位向大角度偏移，晶格常数变小晶粒细化;在脉冲电压为700 V时涂层的硬度为18.5 Gpa，粗糙度为4.65 nm，抗塑性变形能力最强，涂层的韧性较好。
　　随着偏压的增加CrN涂层的柱状晶由粗到细，晶粒由粗到细，在-50 V时晶粒尺为18nm，硬度和弹性模量12 GPa和228 GPa，当偏压增加到-250 V时晶粒尺寸细化为7nm;硬度和弹性模量增加到18.7 GPa和286 GPa，随后在偏压为-300 V时其值略微降低;当基体偏压增加时涂层的抗塑性变形能力与韧性都发生相应的变化并且在基体偏压为-250V时表现为最佳值;在涂层的摩擦形貌图中可以看出当偏压为-50V时出现磨穿且磨痕很宽，到-250V时磨痕既窄又浅，磨损率为K-250V=2.5×10-7 mm3N-1 m-1。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 硬质涂层

1．2 硬质涂层评价指标

1．3 CrN涂层的性质、结构及应用

1．4 CrN涂层的研究进展

1．5 高功率脉冲磁控溅射技术

1．6 本论文研究的内容与目标

第二章 实验工艺与表征方法

2．1 薄膜制备方法

2．2 电源的放电特性

2．3 CrN涂层的沉积工艺

2．4 涂层的表征技术

第三章 N2分压对HIPIMS制备CrN涂层的结构与性能的影响

3．1 引言

3．2 CrN涂层制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 N2分压对CrN结构的影响

3．3．2 N2分压对CrN形貌的影响

3．3．2 N2分压对CrN硬度的影响

3．4 本章小结

第四章 脉冲电压对HIPIMS制备CrN涂层的结构与性能的影响

4．1 引言

4．2 CrN涂层制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 脉冲电压对CrN沉积速率的影响

4．3．2 脉冲电压对CrN结构的影响

4．3．3 脉冲电压对CrN涂层的形貌影响

4．3．4 脉冲电压对CrN涂层力学性能的影响

4．4 本章小结

第五章 基体偏压对HIPIMS制备CrN涂层的结构和力学性能的影响

5．1 引言

5．2 CrN涂层的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 基体偏压对CrN结构的影响

5．3．2 基体偏压对CrN涂层的形貌影响

5．3．3 基体偏压对CrN涂层的力学性能的影响

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文以及参加会议和项目

声明

致谢