脉冲偏压 电弧离子镀CrAlN 2006

目前人们制备 CrAlN 薄膜所采用的工艺主要有 普通的电弧离子镀[3～6 ] 、磁控溅射[7 ,8 ] 、脉冲激光[9 ] 等方法 ,其中电弧离子镀由于其离化率高等特点 ,在 工程上的应用最为广泛 。但传统的电弧离子镀一直 以直流偏压为工艺基础 ,一方面由于离子持续的轰
收稿日期 :2006203206 基金项目 :国家高技术发展计划 (863) 资助项目 (No. 2002AA302507) 3 联系人 : Tel :0411284708380 ,E2mail :gqlin @dlut . edu. cn
(大连理工大学三束材料改性国家重点实验室 大连 116024)
Study of CrAl N Deposited by Pulsed Bias Arc Ion Plating
Lu Guoying and Lin Guoqiang 3
( State Key Laboratory of Materials Modification by Laser , Ion and Electron beams , Dalian University of Technology , Dalian 116024 , China)
第 26 2006
卷 年
第 6 期 11 、12 月
CHINESE
真 空 科 学 与 技 术 学 报
JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY
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脉冲偏压电弧离子镀 CrAlN 薄膜研究
卢国英 林国强 3
电参数
其它参数
试样 脉冲偏 频 占空 Al 靶 Cr 靶 Ar 气 N2 气 号 压幅值 率 比 弧流 弧流 分压 分压
V kHz % A
A
Pa
Pa
沉积 时间
min
1 - 100 40 40 100 90 0. 5 0. 3 40 2 - 300 40 40 100 90 0. 5 0. 3 40 3 - 500 40 40 100 90 0. 5 0. 3 40
能的影响 ,并进行了 900 ℃下的高温抗氧化性能检测 。结果表明 ,薄膜中 Al 的相对含量随着脉冲偏压的增加而降低 ;薄膜的 相结构由立方 CrN 和 Al 相组成 ;薄膜的硬度随脉冲偏压的增加而增大 ,在偏压幅值为 - 500 V 时 ,硬度可达 21. 5 GPa ;薄膜具 有高达 70 N 的膜基结合力 ;此外 ,薄膜在 900 ℃的大气中保温 10 h ,没有出现明显的氧化现象 ;在合成的三种薄膜中 ,在脉冲 偏压为 - 500 V ×40 kHz ×40 %时的薄膜具有最好的综合性能 。
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真 空 科 学 与 技 术 学 报
第 26 卷
击会使沉积温度较高 ,从而增加了残余应力 ;另一方 面在薄膜的沉积过程中有时会产生强烈的微弧放电 现象 ,这两方面的原因都使得薄膜制备变得困难 ,就 目前报道的薄膜中 ,沉积质量都不是很好 ,比如最常 规的性能之一 ,即膜基结合力 ,一般均在 30N 左右[3] 。
膜的表面颗粒数量有所降低 ,薄膜的表面质量得到 较大改善 ,这与脉冲偏压对大颗粒具有的净化效应 有关[11 ] 。
212 薄膜的 XRD 结构分析 图 3 为不同脉冲偏压下得到的 CrAlN 薄膜的
XRD 图谱 ,从图中可以看出 ,三种薄膜的相结构均 由 CrN + Al 两相构成 ,随着偏压的增大 ,面心立方 CrN 的峰值有所增加 ,相反地 ,面心立方 Al 的峰值 随着偏压的增加而降低 ,说明 CrN 的结构信息随偏 压的增加而增加 。另外 ,薄膜的择优取向为 (111) , 这一取向的面心结构薄膜将具有较好的力学性能 。
作为硬膜材料的基础材料 ,CrN 的抗氧化性能 要优于 TiN ,因而向 CrN 中添加 Al 有望进一步提高 抗氧化性能 ,所以近年来关于 CrAlN 薄膜的研究也 逐步得到了重视[3～9] 。但是关于 CrAlN 薄膜的制备
还存在很多问题 ,从工艺角度看 ,由于无论是 AlN 还 是 CrN 的 导 电 性 都 远 不 如 TiN , 要 合 成 高 质 量 的 CrAlN 薄膜 ,必须解决薄膜沉积过程中由于电荷累 积造成的微弧放电问题 ;从薄膜结构角度看 ,必须得 到以 CrN 结构为主的 CrAlN 薄膜 ,即 Al 或者呈置换 固溶方式存在于 CrN 面心立方 ( fcc) 结构的点阵中 , 或者呈原子态作为第二相存在于薄膜中 ,而不能生 成 AlN 相 ,否则由于 AlN 的疏松硬脆特性会使薄膜 性能严重下降 。
图 1 Bulat6 型电弧离子镀设备示意图 Fig11 Schematic diagram of the Balut26 arc ion plating setup
图 2 不同偏压幅值下沉积的 CrAlN 薄膜的 Al 在金属元素中的原子百分含量
Fig12 Al2content (at %) of metal elements in the CrAlN films obtained at different pulsed biases
抗高温氧化实验在普通电阻炉中进行 ,将试样 放入石英试管里 ,将石英试管放入石英坩埚 ,再将坩 埚放入温度为 900 ℃的电阻炉中进行氧化实验 ,时 间为 10 h ,用扫描电镜观察薄膜氧化后的表面形貌 , 用 X 射线衍射仪分析薄膜氧化后的相结构产物 。
2 实验结果与分析
211 薄膜成分测定 由能谱分析测定的 Al 在金属元素中的相对含
图 4 不同偏压幅值下沉积的 CrAlN 薄膜的 SEM 形貌 (a) Up = - 100 V ; (b) Up = - 300 V ; (c) Up = - 500 V
第6期
卢国英等 :脉冲偏压电弧离子镀 CrAlN 薄膜研究
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量(at %) 随脉冲偏压的变化如图 2 所示 。可以看 出 ,薄膜中 Al 的金属元素相对含量随着脉冲偏压的 增加而略有降低 ,这是由于脉冲偏压的增大 ,增加了 轻元素 Al 的溅射效应 ,从而降低了 Al 的含量 。三 种薄膜的 Al 相对含量都在 61 %～65 %之间 ,薄膜的 成分呈富 Al 的特点 ,在 Al 为游离态存在时可能对 提高高温抗氧化能力起到好的作用 ,这将在下面的 实验中得到证实 。
Keywords Arc ion plating ,Pulsed bias ,CrAlN film ,High2temperature oxidation resistance
摘要 在高速钢和不锈钢基体上用脉冲偏压电弧离子镀技术制备了 CrAlN 薄膜 ,研究了脉冲偏压对薄膜成分 、结构和性
本文采用脉冲偏压电弧离子镀制备 CrAlN 薄 膜 ,并通过改变脉冲偏压幅值的方法制备不同的 CrAlN 薄膜 ,研究脉冲偏压对于薄膜成分 、结构与性 能的影响 ,同时还特别考察薄膜的抗高温氧化性能 。
1 实验设备与方法
采用 俄 产 Bulat6 型 电 弧 离 子 镀 膜 设 备 , 在 W6Mo5Cr4V2 高速钢和 316L 不锈钢上制备 CrAlN 薄 膜 ,该设备结构如图 1 所示 ,它有两个位于左右两侧 平行布置的靶位 ,在两个靶位上分别安装纯 Cr 和纯 Al 靶 ,通过调整两靶的弧流可以调整薄膜中 Cr 、Al 的相对含量 ,而不必冶炼不同成分的 CrAl 合金靶 。 试样经过机械研磨 、抛光及超声清洗等处理后放置 于基片台上 ,获得真空后在直流偏压 - 800 V 下进 行 Ar 离子辉光清洗 5 min ,其中 Ar 的气体分压为 015 Pa ,然后开始镀膜 ,在其它参数相同的扫描电子显微镜的能量散 射谱 EDX 进行薄膜成分测试 ;用岛津 X 射线衍射仪 (XRD) 进行薄膜的相结构分析 ,采用 Cu 靶的 Kα1 射 线进行 ,扫描角度在 20°～100°; 用 PHILIPS2XL30 型 扫描电子显微镜 (SEM) 观测薄膜表面形貌和薄膜厚 度 ;用 MTS Nano Indenter XP 纳米压入仪测量薄膜的 显微硬度 ;薄膜的膜基结合力通过在 WS292 划痕实 验机上进行划痕实验来测量 。
改变偏压幅值分别为 - 100 V、- 300 V、- 500 V ,以 考察不同偏压对薄膜沉积质量带来的影响 。各次实 验的工艺参数如表 1 所示 。
表 1 脉冲偏压电弧离子镀 CrAl N薄膜的制备工艺参数 Tab. 1 Deposition conditions of the CrAlN
by pulsed bias arc ion plating
脉冲偏压电弧离子镀是近年来新兴的先进离子 镀技术之一 。研究表明[10～12 ] ,脉冲偏压具有降低 沉积温度 ,降低薄膜表面颗粒的大小和数量 ,改善组 织 ,细化晶粒 ,增加膜基结合力等优点 ,能够提高薄 膜的沉积质量 。因此 ,一个非常值得研究的问题 ,就 是能否用脉冲偏压电弧离子镀来解决 CrAlN 薄膜的 沉积质量较低的问题 ? 如此一个显见的益处就是脉 冲偏压能够降低沉积温度从而降低热应力 ,还有一 个深层次的益处就是由于偏压是脉冲形式施加 ,可 能会大大减弱电荷累积的程度从而减弱或抑制微弧 产生 ,从而保证薄膜的连续沉积质量 。
Abstract CrAlN films were deposited by pulsed bias arc ion plating on high speed steel and 316L stainless steel. The effect of pulsed bias on films composition ,micro2structures and properties was studied ,and the high2temperature (under 900 ℃) oxidation resistance of the film was estimated. The results showed that Al2content decreased with the increase of the pulsed bias. The phase structure of the CrAlN films consist2 ed of fcc2CrN and fcc2Al phases as the pulsed bias increases ,the film hardness increases ,reaching 21. 5 GPa at a pulsed bias of - 500 V. The film has very high adhesion force(higher than 70 N) and no oxidation layer can be observed when annealed at 900 ℃for 10 h. At a pulsed bias of - 500 V ×40 kHz ×40 % ,the films has the best synthesis properties.