劃痕法評價氮化鈦薄膜結(jié)合力研究.pdf

1、對于硬質(zhì)薄膜結(jié)合力的評價，劃痕法應(yīng)用最為廣泛，該方法是一次性加載，能簡單快捷的表征硬質(zhì)薄膜的結(jié)合性能。然而，劃痕法測定膜/基結(jié)合力時，薄膜和基體的性質(zhì)、薄膜的厚度、壓頭的幾何尺寸、加載速率等許多非界面因素均對結(jié)合力的測定有較大的影響，這也是該方法應(yīng)用范圍受限的主要原因。為此，論文通過綜述半球型模型及有限元分析結(jié)果對壓頭作用下膜/基體系的應(yīng)力應(yīng)變進行分析，結(jié)合硬質(zhì)薄膜失效形式，分析總結(jié)劃痕法膜/基體系常見失效形式及其失效機理。分析結(jié)果顯示

2、，不同薄膜或基體材料、薄膜厚度等因素造成的膜/基體系應(yīng)力應(yīng)變分布的差異以及膜/基本征結(jié)合力是造成不同膜/基體系劃痕失效形貌差異的主要原因。
　　利用非平衡磁控濺射在不銹鋼及鈦合金基體上成功制備出Ti、TiN單層薄膜以及Ti/TiN多層薄膜，并對制得的多種膜/基體系進行劃痕實驗。劃痕實驗結(jié)果表明，對于Ti膜等自身剪切強度低于膜/基界面結(jié)合強度的薄膜，利用劃痕法評價其膜/基結(jié)合力并無實際意義。不同基體及不同厚度TiN薄膜的膜/基體系劃

3、痕實驗可看出薄膜內(nèi)應(yīng)力以及基體材料性質(zhì)對劃痕失效形貌及臨界載荷的判定影響較大。對于Ti/TiN多層薄膜，因極低的內(nèi)應(yīng)力、出色的膜/基承載能力以及Ti層的應(yīng)力應(yīng)變吸收作用，劃痕實驗結(jié)果顯示其與基體具有良好的結(jié)合性能。
　　針對劃痕實驗過程中非界面因素對膜/基界面結(jié)合的定性評價的影響，論文根據(jù)劃痕法膜/基應(yīng)力應(yīng)變分布及膜/基失效形貌的研究結(jié)果，提出并嘗試用低載荷多周次往復(fù)滑動磨損實驗定性分析膜/基結(jié)合力。所謂低載荷往復(fù)滑動磨損，即在膜

4、/基體系彈性應(yīng)變范圍內(nèi)的膜/基體系定載荷往復(fù)滑動磨損。利用對磨副在薄膜表面切向往復(fù)滑動時在膜/基界面處產(chǎn)生的剪切應(yīng)力幅作為膜/基剝離應(yīng)力，以薄膜剝落現(xiàn)象作為定性分析膜/基結(jié)合性能的依據(jù)。論文對17-4PH及TC4基TiN薄膜進行劃痕實驗和低載荷往復(fù)滑動磨損實驗，實驗結(jié)果顯示劃痕實驗結(jié)果與低載荷往復(fù)滑動磨損實驗結(jié)果有一定的相似性：TiN薄膜內(nèi)較大的內(nèi)應(yīng)力對其與17-4PH不銹鋼基體間的結(jié)合影響較大，劃痕實驗及低載荷往復(fù)磨損實驗均出現(xiàn)應(yīng)力釋