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钛基及锆基多元氮化物薄膜的组织与性能研究

秦聪祥  
【摘要】:本文采用电弧离子镀技术,制备了(Ti_(1-x-y)Al_y Si_x)N和(Zr_(1-x)Al_x)N薄膜,利用扫描电镜(SEM)能谱分析(EDS)X射线衍射(XRD),显微硬度计,分析天平等技术和设备对薄膜进行了结构和形貌表征,用显微硬度计,摩擦磨损实验仪分析天平等对薄膜的性能进行了检测。分析了Si含量及离子束对(Ti_(1-x-y)Al_ySi_x)N薄膜结构、力学性能(硬度,磨损性能),抗高温氧化性能的影响;分析了Al含量(Zr_(1-x)Al_x)N薄膜结构、力学性能(硬度,磨损性能),抗高温氧化性能的影响。结果表明: Si含量为2.1at.%和5.6at.%的合金靶材制备的(Ti_(1-x-y)Al_y Si_x)N中Si表现为程度较低的正的成分离析。Si含量为8.5at.%的靶材制备薄膜为负的成分离析。采用离子束辅助沉积制备时,Si表现为正的成分离析。无离子束辅助沉积时(Ti_(1-x-y)Al_ySi_x)N薄膜有(111),(200),(222)的取向,其中(111)为主要取向。随Si含量的增加,涂层的(111),(222)的取向减弱,(200)的取向增强,衍射峰的位置向小角度偏移。离子束辅助制备的(Ti_(1-x-y)Al_ySi_x)N薄膜表现为(200)的择优取向。采用离子束辅助沉积和无离子束辅助沉积制备(Til-x-yAl_y Si_x)N薄膜的硬度,耐磨性和抗氧化性能随着Si含量的增加而升高,这主要是由于薄膜中Si含量的变化及离子束作用引起的晶体结构,择优取向的改变及内应力的变化等因素造成的。 通过比例调节器控制Al的通过量,可以制备不同Al含量的(Zr_(1-x)Al_x)N薄膜,所制备薄膜的实际Al含量与设计理论Al含量相近,比例调节器起到了控制膜层中Al含量的作用。随着Al含量的增加,薄膜的主要相由单一面心立方结构的ZrN相,转变为同时出现面心立方结构的ZrN相和纤锌矿结构AIN相。随着Al含量的增加,ZrN(111)衍射峰的位置向小角度偏移。(Zr_(1-x)Al_x)N薄膜的硬度和抗磨损能力随Al含量的增加先升高后降低,这是由于薄膜中Al含量的变化所引起晶体结构,择优取向的改变及内应力的改变等因素造成的。薄膜的抗氧化性能随Al含量的增加而提高,高温下Al_2O_3的形成是(Zr_(1-x)Al_x)N薄膜抗氧化性能提高的主要原因。


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