文档介绍：河北工业大学
硕士学位论文
磁控溅射制备(Ti,Al)N基超硬质薄膜及其性能的研究
姓名:程立军
申请学位级别:硕士
专业:理论物理
指导教师:宋庆功
20071201
河北工业大学硕士学位论文
磁控溅射制备(Ti,Al)N 基超硬质薄膜及其性能的研究
摘要
本论文首先综合描述 TiAlN 薄膜及 TiAlN 基硬质薄膜的发展历程,TiAlN 薄膜及 TiAlN
基硬质薄膜的结构特征、性能及其应用。简单介绍了物理气相沉积(PVD)方法和磁控溅
射基本原理。在此基础上用反应磁控共溅射的方法通过改变 Cr 靶溅射功率在单晶硅(111)
和不锈钢基体上沉积不同 Cr 含量,不同组织结构、不同性能、不同表面形貌的 TiAlCrN
薄膜。采用 X 射线衍射(XRD)研究薄膜的组织结构;采用扫描电子显微镜(SEM)和原
子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌;采用纳米压痕仪测量薄膜的硬度、弹性模量和薄
膜与基体的结合力;采用动电位极化实验研究薄膜的电化学腐蚀行为。通过对实验结果的
分析讨论得出 Cr 含量的变化对 TiAlCrN 薄膜的结构和性能有较大影响。
表征和测试结果显示,实验沉积的 TiAlCrN 薄膜由于 Cr 的加入,晶粒得到细化,由
纳米晶和非晶混合组成。随着 Cr 靶溅射功率增加,TiAlCrN 薄膜中的 Cr 含量呈线性增加,
而膜厚先增加后减小。膜厚减小的原因可能是在较大溅射功率下溅射粒子能量升高,在基
体上产生反溅射的结果。
沉积的 TiAlCrN 薄膜与 TiAlN 薄膜相比,表面平整、光滑、致密,无孔洞和突起等缺
陷,晶粒细小,粗糙度低。随 Cr 含量增加,TiAlCrN 薄膜晶粒大小、粗糙度先减小后增加。
Cr 靶溅射功率为 140W 时,TiAlCrN 薄膜成膜质量最差,300W 时,成膜质量最好。
随着 Cr 含量增加,薄膜硬度先增大,而后减小,即 Cr 含量过低、过高都会降低薄膜
硬度。Cr 含量的变化对薄膜弹性模量值影响不大。TiAlCrN 薄膜的第一临界载荷和第二临
界载荷均随 Cr 含量增加而增大。其第一临界载荷不但均大于 TiAlN 薄膜的第二临界载荷,
而且第二临界载荷比 TiAlN 薄膜提高了将近一倍,显示了与基体良好的结合强度。TiAlCrN
薄膜的动电位极化实验表明,TiAlCrN 薄膜的抗腐蚀性好于不锈钢和 TiAlN 薄膜,且随 Cr
含量增加,抗腐蚀性增强。Cr 含量为 %的 TiAlCrN 薄膜的抗腐蚀性是不锈钢的 14
倍,是 TiAlN 薄膜的 7 倍。
关键词:反应磁控共溅射,TiAlCrN 薄膜,组织结构,表面形貌,硬度,临界载荷,抗腐
蚀性
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河北工业大学硕士学位论文
Deposition and Ivestgation on Properties of (Ti,Al)N-based
Superhard Film by ron Sputtering
ABSTRACT
In this article,the development of vacuum deposition technique, TiAlN films and TiAlN
–based superhard films were described at first. The structure, properties and applications of
TiAlN film and TiAlN –based superhard films were summarized. The physical vapor deposition
technique and fundamental principle of ron sputtering were introduced simply in it. Based
on this, advanced quaternary TiAICrN films were produced on Si(111) and stainless steel
substrates respectively by reactive rons co-puttering technique. Diferent Cr content,
microstructures, properties and surface morphologies of these films were obtained under various
Cr target puttering power. X-Ray