CrN薄膜與CrN-NbN納米多層膜的制備及其性能研究.pdf

1、本文在金屬基體上利用直流磁控反應(yīng)濺射技術(shù)制備了CrN薄膜，利用雙靶直流磁控反應(yīng)濺射技術(shù)制備了CrN/NbN納米多層膜。利用XRD、SEM、EDS分析了薄膜的物相組成、晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、斷面形貌、組成成分;通過顯微硬度儀、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測試了薄膜的硬度、磨損性能;研究了N2分壓、基體溫度對于CrN薄膜性能的影響，確定了制備CrN薄膜的最優(yōu)工藝條件;研究了調(diào)制周期和調(diào)制比對于CrN/NbN納米多層膜性能的影響，研究了CrN/NbN納米多層

2、膜的超硬效應(yīng)，確定了制備CrN/NbN納米多層膜的最優(yōu)工藝條件。
　　XRD分析結(jié)果表明:CrN薄膜在低N2分壓時(shí)不易生成CrN相，而是由Cr2N和Cr相組成;隨著N2分壓增大，薄膜中開始出現(xiàn)CrN相;繼續(xù)增大N2分壓，Cr2N相消失;N2分壓大于1.0×10-1Pa時(shí)，薄膜中的相組成為CrN和Cr。
　　用顯微硬度儀測試了CrN薄膜的硬度，結(jié)果表明:CrN薄膜的硬度隨著N2分壓的提高呈現(xiàn)上升趨勢，CrN薄膜的硬度在最高N2

3、分壓1.5×10-1Pa時(shí)達(dá)到最大值。CrN薄膜的硬度隨著基體溫度的升高呈現(xiàn)先升高后下降趨勢，在基體溫度300℃時(shí)達(dá)到最大值。
　　用SEM觀察了CrN薄膜的表面形貌，結(jié)果表明:當(dāng)工作氣壓為3.0×10-1Pa，N2分壓為1.5×10-1pa，基體溫度為300℃時(shí)制備的CrN薄膜，膜層致密、晶粒均勻、晶粒尺寸小，約為30nm。此時(shí)，薄膜的顯微硬度達(dá)到了最大值2173HV。XRD分析表明制備的CrN薄膜具有立方結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)烈的(11

4、1)擇優(yōu)取向。
　　摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)N2分壓為6.0×10-2Pa，基體溫度為300℃時(shí)制備的CrN薄膜在載荷300g，800＃砂紙，磨2周期(400次/周期)的條件下，其磨損失重僅為0.5mg。這是因?yàn)镹2分壓低時(shí)在CrN薄膜中存在大量未與N反應(yīng)的Cr相，相應(yīng)地提高了CrN薄膜的耐磨損性能，其耐磨性最佳。
　　用SEM觀察了CrN/NbN納米多層膜的斷面形貌，結(jié)果表明:采用雙靶直流磁控反應(yīng)濺射方法制備的CrN/NbN納

5、米多層膜具有界面清晰，調(diào)制結(jié)構(gòu)良好的多層結(jié)構(gòu)。
　　調(diào)制周期和調(diào)制比對CrN/NbN納米多層膜的性能有著重要影響。固定調(diào)制比，CrN/NbN納米多層膜的顯微硬度隨著調(diào)制周期的減小而增大，而當(dāng)調(diào)制周期繼續(xù)減小時(shí)，會(huì)因?yàn)镃rN/NbN納米多層膜的界面混合而導(dǎo)致超硬效應(yīng)消失，使顯微硬度下降;固定調(diào)制周期，CrN/NbN納米多層膜的顯微硬度隨著調(diào)制比RCrN/NbN的增大而增大，不同的調(diào)制比RCrN/NbN影響了多層膜中的相組成和擇優(yōu)取向

6、從而影響CrN/NbN納米多層膜的性能。
　　CrN/NbN納米多層膜制備的最優(yōu)工藝為:調(diào)制周期為10nm，調(diào)制比RCrN/NbN=2∶1。其顯微硬度達(dá)到最大值4659HV，其主要相組成為NbN、CrN、Cr、Cr2Nb，其中CrN和NbN均以(200)為擇優(yōu)取向，Cr和Cr2Nb相主要是作為過渡層而存在。
　　CrN/NbN納米多層膜的超硬效應(yīng)符合協(xié)調(diào)應(yīng)變場強(qiáng)化理論和Hall-Patch理論，同時(shí)細(xì)化晶粒與擇優(yōu)生長取向?qū)Χ?/p>