钛铝系金属间化合物薄膜的制备和摩擦性能

钛铝系金属间化合物薄膜的制备和摩擦性能

田明霞,李长生,张晔,金岚,孙建

(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)

摘 要:

应用射频磁控溅射方法沉积钛铝系金属间化合物薄膜;用X 射线衍射仪(XRD)、配有

能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM )和U M T 2型摩擦试验机对薄膜的相组成、形貌和摩擦性

能进行了分析。结果表明:该薄膜是由T iA l 、T iAl 3、Al 2O 3和TiO 2相组成;薄膜表面晶粒均匀细小;对于不同钛、铝含量的薄膜,当铝含量(原子分数)为45%时具有最低的摩擦因数;摩擦因数随着载荷、转速和摩擦时间的增加而减小。

关键词:射频磁控溅射;钛铝系金属间化合物;薄膜;摩擦性能

中图分类号:T B331 文献标识码:A 文章编号:1000 3738(2008)05 0062 03

Tribological Properties and Preparation of Ti Al Intermetallic Film

TIAN Ming xia,LI Chang sheng,ZHANG Ye,JIN Lan,SUN Jian

(Jiang su U niversity ,Zhenjiang 212013,China)

Abstract:Radio fr equency (RF )magnetr on sputt ering w as used to prepare T i

A l inter metallics f ilm.T he film w as examined by XRD.T he sur face mo rpholog y of the film w as analyzed by SEM w ith an att ached EDS.T he tribo log ical pr operties o f t he film wer e tested by U M T 2frict ion test apparatus.G ener ally,t he film is composed o f T iA l,T iA l 3,A l 2O 3and T iO 2.T he cry stal gr ains o f the film are uniform and fine.T he film with 45at%Al show ed the low est f riction co efficient.T he fr ictio n coefficient reduced w ith t he increase o f load,rot ation rate and f rictio n time.

Key words:RF magnetro n sput tering ;T i A l intermetallics;film;tr ibolog ical pro per ty

0 引 言

金属间化合物中金属键和共价键共存,使其兼备金属的较好塑性和陶瓷的高温强度[1]。研究表明[2],由于特殊的晶体结构,某些金属间化合物的强度在一定范围内随着温度的升高(700~800 )而升高。目前已有约300种金属间化合物,由于具有耐高温、抗氧化、耐磨损的特点,可望成为航空航天、交通运输、化工、机械等许多工业部门重要的结构材

料。其中,钛铝系金属间化合物由于铝化合物本身所具有的极高的抗氧化性能、较高的熔点、较低的密度等特点,而成为研究焦点[3,4]。而以薄膜形式存在的钛铝系金属间化合物,特别适合用于切割和加工含铁材料,并且由于其高温抗氧化性能优良[5],还可用于高温部件上。

收稿日期:2007 06 28;修订日期:2007 08 28

作者简介:田明霞(1982-),女,山东济宁人,硕士研究生。导师:李长生教授

目前关于钛铝系金属间化合物薄膜的研究报道主要集中在其力学和高温抗氧化性的研究,对于其摩擦性能很少涉及。为此,作者采用射频磁控溅射

的方法制备钛铝间化合物薄膜,并对其物相组成、表面形貌和摩擦性能进行了分析。

1 试样制备与试验方法

采用大连理工大学的微波ECR 等离子体增强沉积设备,用铝和钛双靶溅射的方法制备钛铝金属间化合物薄膜。铝靶纯度99.99%,密度2.7g cm -3

,钛靶纯度99.99%,密度4.51g cm -3

,均由合肥科晶材料技术有限公司生产。在双靶磁控溅射过程中,基体摆放位置不同,可以制备出不同原子比的薄膜,见图1。工作气体为纯度99.999%的氩气,基体为45钢。将基体加工成 15mm !15m m 的试样,经研磨、抛光至镜面后,用乙醇、丙酮和去离子水进行超声波清洗后放入磁控反应室。抽真空至5!10-4Pa 后,对基体表面进行氩离子预溅射处理,去除表面残留的吸附物和氧化物,5min 后沉积薄

62 第32卷第5期2008年5月

机 械 工 程 材 料

M aterials for M echanical Eng ineering

V ol.32 N o.5M ay 2008

膜。工艺参数为靶基距83mm ,氩气流量60cm 3

s -1

,真空室内温度为室温,工作气压为1Pa,钛靶和铝靶溅射功率均为150W,沉积时间2h [6-9]

。

图1 基体的摆放位置Fig.1 Relative position of substrates

用SKF 2 12可编程高温炉对沉积后的试样进行热处理,氩气保护,热处理温度600~800 ,时间1h 。

用D/M AX RC 型X 射线衍射仪(XRD)和JE OL JXA 840A 型扫描电镜(SEM,附能谱仪)分析薄膜的相组成和形貌。用UM T 2型摩擦试验机进行摩擦试验,试验条件为无润滑、室温;摩擦副为GCr15( 3m m),表面粗糙度R a ∀0.05 m,硬度61H RC,载荷分别为1~5N,摩擦线速度0.1~0.5m s -1,摩擦时间15min 。

2 结果和讨论

2.1 薄膜的相组成

热处理温度在600~800 时,T i Al 系的反应主要可以用以下方程来描述:

2Ti+4Al #T iA l 3+T iA l

T i+O 2#T iO 24Al+3O 2#2Al 2O 3

7A l+3T iO 2#3T iAl+2Al 2O 3

反应初期,一部分钛原子和铝原子反应生成TiAl 3和T iA l,由于高温炉中仍有少量的氧气存在,另一部分钛原子和铝原子则分别与氧气发生化学反应,生成了TiO 2和Al 2O 3。最后由于Al 2O 3与TiAl 都是铝化物,且热膨胀系数也很接近,从而保证了其化学稳定性和相容性,所以会发生铝热反应:Al+T iO 2#T iA l+Al 2O 3。

由图2可见,反应按照设计进行,钛铝薄膜的衍射谱中约44∃的位置上产生了衍射峰,为T iAl 相;约37∃,64∃,75∃和82∃的位置上产生的衍射峰均为TiAl 3相。另外,衍射谱上还出现了较多的Al 2O 3相和T iO 2相。这说明采用射频磁控溅射方法成功

制备出了钛铝系金属间化合物薄膜。

图2 钛铝薄膜的XRD 谱Fig.2 X ray diffraction of Ti Al film

2.2 薄膜的形貌

用射频磁控溅射方法制备的钛铝系金属间化合物薄膜表面晶粒均匀细小、晶粒结合紧密无裂缝,可以有效阻止薄膜的氧化,减少T iO 2的形成。由图3a 可见,黑色区域经电子探针能谱分析为Al 2O 3颗粒,白色物质为TiO 2颗粒。通过比较可知,Al 2O 3颗粒比T iO 2颗粒多。这是因为薄膜在进行热处理过程中,不仅薄膜表面的铝原子被氧化,而且内部的铝原子也迁移到表面取代钛原子的位置被氧化而生成Al 2O 3,发生了铝热反应。由图3a 中还可见,Al 2O 3呈点状不连续分布,阻止了T iO 2的进一步生长。由图3b 可见,薄膜的磨痕表面相对比较平整,只有轻微擦伤引起的犁沟,磨痕边缘的磨粒细小,没

有观察到裂纹的产生。

(a) 表面 (b) 摩擦划痕

图3 钛铝薄膜的SEM 形貌Fig.3 S EM micrographs of T i Al film

2.3 摩擦性能

由双靶射频磁控溅射方法制备的钛铝金属间化合物薄膜试样由于基体摆放位置的不同,使得这些薄膜具有不同的组分,铝含量为0%~100%(原子

分数,下同)。钛铝薄膜中含有的T iO 2具有相当好的韧性,不易发生脆性断裂和裂纹,使该薄膜具有较长的磨损寿命。但TiO 2薄膜一般在400 以下使用,过多的TiO 2会限制该薄膜在高温下的使用性能。另外T iO 2的摩擦性能不如Al 2O 3好。Al 2O 3具有硬度高、摩擦因数低、化学稳定性好及耐腐蚀性优良等特点,可用作耐滑动摩擦涂层材料。但是

63