类金刚石(DLC)多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究

类金刚石（DLC）多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究类金刚石(DLC)薄膜由于具有高硬度和弹性模量、低摩擦系数、优异的耐磨损性和耐腐蚀性等优异性能,而成为具有广泛应用前景的保护膜及耐磨材料。多年的研究发现DLC薄膜中存在很大的残余应力,降低了薄膜与钛合金基体的结合强度,导致DLC薄膜在使用过程中的早期失效,限制了它的工业应用。

多层薄膜是由不同材料相互交替沉积而成的组分或结构交替变化的薄膜材料,由于它具有大量的界面,通常会增加材料的韧性,阻碍裂纹的扩展,与相应的单层薄膜相比,多层薄膜的残余应力较低,且耐磨性能及耐蚀性能好,具有广泛的应用前景。因此,基于DLC薄膜急需解决的问题和实际应用的需要,设计了软硬交替DLC多层薄膜体系,其中软层将起到剪切带的作用,以缓解膜层中的内应力和界面应力。

本文采用磁过滤阴极真空弧源(FCVA)沉积技术在Ti6A14V合金及Si(100)表面制备了一系列不同调制参数的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜,以减小或控制DLC薄膜中的残余应力、提高硬度和增强钛合金的摩擦学性能。本文系统研究了调制周期和调制比对软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜的形貌、残余应力、成分、结构、机械性能和摩擦学性能的影响。

同时采用有限元软件(Ansys)对软硬交替DLC多层薄膜的残余应力进行了模拟。为使基体与膜层之间形成良好的过渡,进一步增强膜基结合力,本文还研究了Ti/TiC梯度过渡层对DLC多层薄膜性能的影响。

全文主要结果如下：(1)采用FCVA技术在钛合金表面成功的制备出了结构致密、低残余应力、高硬度和优异耐磨性能的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC 多层薄膜。(2)使用FCVA技术制备的软硬交替DLC多层薄膜,在调制周期固定为

140nm时,薄膜中sp3键的含量随调制比(硬DLC膜层与软DLC膜层厚度之比)的增大而增加；在调制比固定为1：1时,sp3键的含量随调制周期的减小而减小。

DLC多层薄膜的残余应力均小于单层硬DLC薄膜,同时其机械性能均优于单层DLC薄膜。调制周期为140nm、调制比为1：1的软硬交替DLC多层薄膜具有最优异的耐磨损性能。

(3)采用有限元方法分析了FCVA系统制备的DLC薄膜残余应力,有限元分析结果与实验分析结果具有较好的一致性。有限元分析表明,DLC薄膜的脱落从外侧起源是由于剪切应力和第一主应力在膜外侧边缘处具有最大的拉应力；不同调制周期DLC多层薄膜的残余应力大小对其力学性能有较大的影响。

调制周期为280nm的DLC多层薄膜膜基界面上具有最大的剪切拉应力,因此膜基结合力较差；调制周期为140nm的DLC多层薄膜具有最优异的耐磨损性能主要是由于膜内拉应力最小和相对较好的膜基结合力。(4)制备偏压和乙炔分压对TiC薄膜的结构和力学性能均有明显的影响。

利用XPS和XRD对膜的成分及结构分析中发现,在TiC薄膜中,碳除了和钛结合生成TiC相外,主要以氢化a-C：H非晶碳相形式存在；随着沉积乙炔分压的增加,膜中的钛含量降低,而薄膜中的a-C：H相的相对含量随之增加；随着钛含量的降低,硬度先增加而后逐渐减小。TiC薄膜的残余应力均为压应力,在基体偏压为AC1000V(20KHz,50%)、乙炔气压为0.15Pa时,TiC薄膜具有最小残余压应力4.17GPa。

钛合金表面Ti/TiC梯度过渡层的引入,提高了DLC多层薄膜的硬度和膜基结合力,进一步提高了钛合金的耐磨损性能。(5)采用FCVA技术制备的TiC/DLC多层薄膜,通过TEM表征显示出清晰的多层膜调制结构。

Raman光谱分析表明TiC/DLC多层薄膜中sp3键含量随调制比(TiC膜层与DLC膜层厚度之比)的增大逐渐减少。在调制周期固定为106nm时,残余应力随调制比的增大而减小,调制比为4：1的多层膜残余压应力达到最小值(4.81GPa),同时具有最高的膜基结合强度。

在调制比固定为1：1时,残余应力随调制周期的减小而减小,调制周期为80nm的多层残余应力最小、薄膜硬度和结合强度最高。调制比为1：1、调制周期为106nm的TiC/DLC多层薄膜具有最优异的耐磨损性能。

TiC/DLC多层薄膜的残余应力,膜基结合力,以及摩擦性能都明显优于单层DLC薄膜。本文的研究结果表明,采用FCVA技术制备的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜能有效的降低DLC薄膜在制备过程中产生的残余应力和增加膜基结合力,同时保持DLC薄膜高的硬度和优异的耐磨损性能。