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双靶直流反应磁控共溅射沉积TiAlN薄膜及其性能研究

作　者: 曹守娟
导　师: 单玉桥
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: TiN薄膜 TiAlN薄膜磁控溅射显微硬度耐蚀性耐磨性
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

作为TiN硬质薄膜最有前景的替代材料,TiAlN薄膜比TiN具有更优良的特性,如高的硬度、良好的耐蚀性和耐磨性等。因此,TiAlN薄膜在切削刀具、模具领域具有更广泛的应用。本文采用双靶直流反应磁控溅射法在金属基片上制备了TiN、TiAlN薄膜,并对它们的性能进行了测试分析。研究了N₂分压、靶功率和基体温度等工艺条件对TiN、TiAlN薄膜成分及性能的影响,制备出了高硬度,高耐磨性的薄膜。利用XRD分析了薄膜的结构及成分,结果表明:所制备的TiN薄膜为fcc NaCl型结构,具有（111）取向。TiAlN薄膜的成分比较复杂,在Al靶功率为150W时,薄膜中只有TiN相。随Al靶功率的增加,薄膜的主要组成相为AlN和AlTi₃N。用扫描电镜（SEM）观察了TiAlN薄膜的表面形貌,结果表明,Al元素的加入细化了薄膜晶粒。当N₂分压为6.0×10^-2pa,基体温度为300℃,Al靶功率为350W时,薄膜为细条状结构,晶粒致密均匀,尺寸约为Φ50×200nm³。Al靶功率为450W时,薄膜为针状结构,尺寸约为200nm。用显微硬度仪测了薄膜的显微硬度,其中TiN薄膜的显微硬度达到1920HV,TiAlN薄膜的显微硬度达到2900HV。可以看出,TiAlN薄膜的硬度明显高于TiN。对薄膜进行中性盐雾试验,结果表明:TiAlN薄膜比TiN薄膜具有更好的耐蚀性。并且在基体温度为400℃,N₂分压为6.0×10^-2pa,Al靶功率为350W时,TiAlN薄膜的耐蚀性最好。在基体温度为400℃,N₂分压为6.0×10^-2pa条件下制备了TiAlN薄膜,研究Al靶功率对薄膜耐磨性的影响。结果表明:在Al靶功率为350W时,薄膜的耐磨性最好。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-23
  1.1 真空镀膜技术  11-13
    1.1.1 真空镀膜技术的发展  11-12
    1.1.2 真空镀膜技术的应用  12-13
  1.2 硬质薄膜的发展  13-15
  1.3 薄膜生长机理  15-17
    1.3.1 临界核的形成  15
    1.3.2 岛的成核和长大  15-16
    1.3.3 沟道薄膜的形成  16
    1.3.4 连续膜的形成  16-17
  1.4 TiN薄膜的性能和制备方法  17-19
    1.4.1 TiN薄膜的性能  17-18
    1.4.2 TiN薄膜的制备方法  18-19
  1.5 TiAlN薄膜的性能及发展方向  19-22
    1.5.1 TiAlN薄膜的性能  19-21
    1.5.2 TiAlN薄膜的应用及发展方向  21-22
  1.6 本论文的主要工作  22-23
第2章实验原理与设备  23-31
  2.1 实验原理  23-25
    2.1.1 磁控溅射原理  23-24
    2.1.2 反应溅射原理  24-25
  2.2 实验设备  25
  2.3 基体的前处理  25-27
  2.4 过渡层的选择  27
  2.5 实验流程  27
  2.6 薄膜性能表征  27-31
    2.6.1 XRD物相分析  27-28
    2.6.2 表面形貌分析  28
    2.6.3 能量色散谱分析  28
    2.6.4 显微硬度测试  28-29
    2.6.5 中性盐雾试验  29-30
    2.6.6 耐磨性测试  30-31
第3章 TiAlN薄膜的制备及结果分析  31-55
  3.1 TiN薄膜的制备  31
  3.2 TiN薄膜的性能测试  31-35
    3.2.1 TiN薄膜的颜色分析  31
    3.2.2 TiN薄膜的表面形貌  31-32
    3.2.3 TiN薄膜的硬度  32-33
    3.2.4 TiN薄膜的耐磨性  33-35
    3.2.5 最佳工艺条件下TiN薄膜的XRD分析  35
  3.3 TiAlN薄膜的制备  35-36
  3.4 N_2分压对TiAlN薄膜性能的影响  36-44
    3.4.1 N_2分压对TiAlN薄膜成分的影响  36-39
    3.4.2 N_2分压对TiAlN薄膜表面形貌的影响  39-40
    3.4.3 N_2分压对薄膜厚度的影响  40-41
    3.4.4 N_2分压对TiAlN薄膜显微硬度的影响  41-42
    3.4.5 N_2分压对TiAlN薄膜耐蚀性的影响  42-44
  3.5 Al靶功率对TiAlN薄膜性能的影响  44-48
    3.5.1 Al靶功率对TiAlN薄膜成分的影响  44-45
    3.5.2 Al靶功率对TiAlN薄膜表面形貌的影响  45-47
    3.5.3 Al靶功率对TiAlN薄膜显微硬度的影响  47
    3.5.4 Al靶功率对TiAlN薄膜耐蚀性的影响  47-48
  3.6 基体温度对TiAlN薄膜性能的影响  48-52
    3.6.1 不同基体温度下TiAlN薄膜的XRD分析  48-49
    3.6.2 基体温度对TiAlN薄膜的微观形貌影响  49-50
    3.6.3 基体温度对TiAlN薄膜显微硬度的影响  50-51
    3.6.4 基体温度对TiAlN薄膜耐蚀性的影响  51-52
  3.7 TiAlN薄膜耐磨性研究  52-55
第4章结论  55-57
参考文献  57-63
致谢  63

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