高功率脉冲磁控溅射注入与沉积技术研究及CrN薄膜制备

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chica2222
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等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)是近年来迅速发展的一种材料表面改性技术,具有注入与沉积同时进行、粒子轰击能量高,非视线性以及可处理各种形状复杂工件等优点,广泛应用于各种金属以及化合物薄膜的注入与沉积。但是,目前应用较广泛的PIII&D技术使用脉冲阴极弧源提供金属粒子,这种技术制备的薄膜存在大颗粒,设备复杂,效率低等,严重影响了薄膜的性能以及在工业中更广泛的应用。针对现有PIII&D技术存在的诸多问题,本实验室提出高功率脉冲磁控溅射注入与沉积方法,本文首先研究了该方法的等离子体放电特性,在此基础上研究了该技术在制备薄膜均匀性方面的优势,随后在不锈钢以及钛合金基体上制备CrN薄膜。研究了不同Ar/N2流量比、气压、高压电压、靶间距下薄膜的性能。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、球盘式摩擦磨损试验机,纳米压痕仪、划痕试验机、电化学腐蚀平台对薄膜的表面形貌、相结构、摩擦学性能、硬度、结合力、耐腐蚀性能分别进行了分析。等离子体放电特性结果表明,高功率脉冲磁控溅射注入与沉积中靶电流随着靶平均电流、靶脉宽、高压电压、高压脉宽的增加而增加,随频率增加而下降;基体电流随着靶平均电流、高压电压的增加而增加,随靶上高功率脉冲脉宽、频率的增加而下降;靶电压随靶平均电流的上升而升高,随靶脉宽、频率、高压电压、高压脉宽、气压的增加而降低;基体平均电流随靶平均电流、频率、高压电压、高压脉宽的上升而升高,随直流电流增加先降低后升高。薄膜均匀性分析结果表明,高功率脉冲磁控溅射注入与沉积技术相比于DC、DC+HV、HPPMS所制备的薄膜均匀性更好,表面致密均匀,结合力好。SEM表面形貌分析得出,CrN薄膜表面主要为岛状颗粒结构,随Ar/N2流量比增加,薄膜表面趋于平整,缺陷减少,膜层变得更为致密。XRD分析结果表明,薄膜表面主要为CrN(200)相,随Ar/N2流量比增加,其衍射峰强度逐渐增加。薄膜力学性能分析结果表明,CrN薄膜膜基结合力高,临界载荷最高可接近70N;显著提高了基体表面的硬度及弹性模量,基体表面的耐磨性以及耐腐蚀性均得到增强。
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