论文部分内容阅读
Al-Cu-Fe薄膜由于其性能优良，来源容易，成本低等因素，已经引起有关应用研究如耐磨减摩、不粘性、耐热和耐蚀性能等方面的关注。尽管目前有关Al-Cu-Fe薄膜的制备技术、组织结构、性能等方面的研究较多，但是关于三靶共溅射Al-Cu-Fe薄膜表面形貌和生长机制与制备工艺、成分控制和组织结构、界面特性与性能之间相互关系及机理等需要进一步的研究，以期能促进其在工业部门的实际应用。采用三靶磁控共溅射方法，在不同共溅射参数（如溅射功率、溅射气压、基底温度、溅射偏压、溅射时间）和退火工艺参数条件下制备了不同特性的Al-Cu-Fe薄膜。采用原子力显微镜（AFM）、能谱仪（EDS）、X射线光电子能谱仪（XPS）、透射电镜（TEM）以及X射线衍射仪（XRD）等分析了不同薄膜制备工艺参数对Al-Cu-Fe薄膜表面形貌、形核生长机制、成分、原子结合状态、界面特性和组织结构转变及其机理的影响。采用纳米压痕和纳米划痕试验分析了薄膜制备工艺参数对Al-Cu-Fe薄膜硬度和弹性模量的影响，探讨了薄膜与不同基底的结合强度和摩擦性能。主要结论总结如下：第一，Al-Cu-Fe薄膜表面粗糙度指数随着溅射功率增加和溅射时间延长而增加，溅射功率增加导致Al-Cu-Fe薄膜表面粗糙度先增加再减小，表面岛状颗粒尺寸变小。随着溅射气压由2.0Pa下降到1.0Pa，薄膜生长指数β由0.38±0.08下降为0.31±0.10。基底温度升高明显提高了薄膜表面粗糙度，岛状颗粒尺寸明显增大，表明薄膜生长主要以蒸发-凝聚扩散机制为主导。溅射偏压明显降低了薄膜表面粗糙度和表面粗糙度指数。不锈钢基底Al-Cu-Fe薄膜表面粗糙度指数高于硅基底材料；并且基底表面粗糙度愈大，薄膜表面粗糙度指数愈小。第二，基底温度升高使Al-Cu-Fe薄膜成分中的Al相对含量增加，Cu和Fe相对含量有所下降。溅射偏压提高会增加Al-Cu-Fe薄膜中Al相对含量成分的相对含量。溅射功率改变会明显影响Al-Cu-Fe薄膜的成分。溅射气压的增加或减小并不会线性增加或减小成分组成相对含量。在无溅射偏压情况下，基底温度提高会使Al-Cu-Fe薄膜表面会形成Al2O3、CuO和Fe2O3，但在室温溅射时，薄膜表面只会形成Al2O3。Al-Cu-Fe薄膜与基底材料界面处所有成分为均匀过渡。第三，共溅射态Al-Cu-Fe薄膜的一般组织为非晶态组织。当基底温度升高到450℃时，Al-Cu-Fe薄膜组织中形成了部分晶态组织。当基底温度为550℃时，根据溅射功率和溅射时间变化，Al-Cu-Fe薄膜会形成明显的θ-Al2Cu（Fe）相、ω-Al7Cu2Fe、β-AlCu（Fe）相和准晶I-Al6Cu2Fe相等组织。当基底温度为室温时，溅射偏压增大明显改变了Al-Cu-Fe薄膜的组织结构，薄膜组织由非晶态组织转变为微晶组织和非晶态的混合组织。Al-Cu-Fe薄膜退火后组织结构转变主要取决于退火温度和退火时间，主要由非晶态组织向部分准晶态和晶态组织转变。最后，溅射功率增加会导致Al-Cu-Fe薄膜的硬度明显增加，主要原因是由于薄膜中的原子结合能力随着溅射功率增加而增加。溅射偏压提高能明显增加Al-Cu-Fe薄膜的硬度和弹性模量，这与溅射偏压提高导致薄膜致密度提高，且增加了薄膜与基底的结合强度等有关。Al-Cu-Fe薄膜硬度和弹性模量随着溅射时间延长和基底温度升高有所增加。Al-Cu-Fe薄膜550℃退火60min后明显硬度和弹性模量增加，原因是由于其组织中形成微小的准晶态或晶态组织的弥散强化作用。升高基底温度和增加溅射气压能明显提高Al-Cu-Fe薄膜与Si基底的结合强度和摩擦系数。纯Al基底薄膜的摩擦系数最小，纯Cu基底薄膜的摩擦系数最大。1Cr18Ni9Ti基底与薄膜的界面结合强度最大，纯铜基底与薄膜的界面结合强度最小。