采用將電弧離子鍍與磁控濺射離子鍍相結(jié)合而得的復(fù)合離子鍍的方法，分別用高純Cr 作為電弧靶、用高純Al 作為濺射靶，通入氮氣和氬氣，在高速鋼和硅片上沉積(Cr，Al)N 薄膜。通過臺階儀、掃描電鏡、X 射線衍射儀、維氏硬度計等分析和測量手段，研究了不同脈沖偏壓占空比條件下(Cr，Al)N 薄膜結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化規(guī)律。研究表明，占空比對薄膜的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能均有影響，當(dāng)占空比為40 %時，薄膜的沉積速率最大，為12.8 nm/min，用25 g 載荷保荷10 s 測試的維氏硬度1725 Hv 也為實驗獲得的最大值。

　　(Cr，Al)N 薄膜是傳統(tǒng)CrN 薄膜的優(yōu)良替代品，其涵蓋了CrN 薄膜的耐腐蝕性、優(yōu)良的耐磨性以及良好的熱穩(wěn)定性，在工件的腐蝕與防護方面具有較廣泛的應(yīng)用。CrN 薄膜可用于刀模具表面的改性，在抵抗切削或沖壓過程中的高溫氧化方面有優(yōu)良的表現(xiàn)，但由于其硬度較低使得應(yīng)用受到限制。所以人們開始注意基于CrN 開發(fā)旨在提高其硬度的新型硬質(zhì)涂層。研究表明，(Cr，Al)N 薄膜是傳統(tǒng)CrN 薄膜的優(yōu)良代替品，主要原因是由于Al 的摻入，通過置換固溶的方式使結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，由CrN 的面心立方結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)槔w鋅礦結(jié)構(gòu)。由于Al 和Cr 兩種元素都有良好的抗氧化性，(Cr，Al)N 薄膜的抗氧化溫度可達900℃，同時固溶強化效應(yīng)可使(Cr，Al)N 薄膜的硬度大大提高，優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和高硬度使其在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛且重要的應(yīng)用。對于增加刀模具的耐磨耐腐蝕性、延長刀具使用壽命、提高刀具的切削技術(shù)、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本等方面有非常積極的意義。

　　事實上，國內(nèi)外針對(Cr，Al)N 薄膜的研究已有一些報道，研究主要集中在制備方法和工藝參數(shù)對薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響上。制備(Cr，Al)N薄膜的主要方法是直流偏壓電弧離子鍍和脈沖偏壓濺射離子鍍。由于(Cr，Al)N 薄膜導(dǎo)電性能較差，在使用直流偏壓電弧離子鍍來制備時，電弧蒸發(fā)出來的離子在負偏壓電場作用下持續(xù)轟擊基體和已沉積的薄膜，會導(dǎo)致沉積溫度升高，殘余應(yīng)力增大，而且在沉積過程中偶爾會在薄膜表面發(fā)生微弧放電現(xiàn)象，導(dǎo)致鍍膜表面粗糙甚至脫落。濺射離子鍍是真空鍍膜的另一方式，其特點是工藝穩(wěn)定、鍍膜結(jié)構(gòu)均勻、表面質(zhì)量高、內(nèi)應(yīng)力小，但離化率低、膜/ 基結(jié)合力不強，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認為若采用此方法跟電弧離子鍍相結(jié)合形成復(fù)合離子鍍，有望充分利用各自的優(yōu)勢來彌補另一方法的不足，從而得到較高表面質(zhì)量的薄膜。工藝參數(shù)中對薄膜結(jié)構(gòu)和性能影響較重要的包括基體偏壓、沉積氣壓、溫度等，其中偏壓是最主要的影響因素之一，大部分研究人員重點關(guān)注偏壓大小對薄膜組織結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，而對脈沖偏壓占空比對薄膜質(zhì)量的影響研究的相對較少。占空比一般是指在一脈沖周期內(nèi)施加脈沖偏壓峰值時間與一個脈沖周期時間之比值。本文利用復(fù)合離子鍍在基底上施加直流疊加脈沖偏壓制備(Cr，Al)N薄膜，重點研究占空比對于薄膜微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。

　　1、實驗方法

　　本實驗所用鍍膜設(shè)備為國產(chǎn)SA-6T 型復(fù)合離子鍍膜機。該鍍膜機的真空系統(tǒng)主要由機械泵、油擴散泵、和真空室組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　使用的基底為高速鋼和單晶硅片。高速鋼基底尺寸為15 mm×10 mm×10 mm，用于(Cr，Al)N 涂層力學(xué)性能測試，硅基底沉積的薄膜則用于表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的測試分析。高速鋼基底在清洗前需先經(jīng)過打磨至鏡面。沉積前，基底需在盛有丙酮的燒杯中超聲清洗30 min，再在盛有無水乙醇的燒杯中超聲清洗15 min。干燥后固定于真空室的試樣架上。

　　實驗中分別用的是純度均為99.99%的Cr 和Al 作為電弧靶和濺射靶材， 在純度均不小于99.99%的氮氣和氬氣氛圍下沉積薄膜樣品。鍍膜前本底真空低于3×10^-3 Pa，將連接到基體的直流偏壓調(diào)節(jié)為200 V、脈沖偏壓加到600 V 對基底進行輝光清洗15 min。然后保持直流偏壓100 V、脈沖偏壓300 V、頻率40 kHz，在不同占空比條件下分別鍍制薄膜樣品，詳細的鍍膜工藝參數(shù)見表1。鍍制每個(Cr，Al)N 薄膜之前，先沉積純金屬Cr 過渡層，時間為3 min，以提高基底與涂層的結(jié)合力。

表1 鍍膜工藝參數(shù)

　　利用AMB10SXP-2 型臺階儀、X 射線衍射儀(D/Max-2400 型)、FEI NovaNano 230 型掃描電子顯微鏡(SEM)、維式硬度計、MS-T3000 摩擦磨損儀分別對樣品的厚度、物相結(jié)構(gòu)、表面形貌、硬度性能進行了分析和表征。

　　3、結(jié)論

　　1、隨著脈沖偏壓占空比的增大，(Cr，Al)N薄膜的沉積速率先增大后減小，在占空比為40%時，沉積速率達到最大。

　　2、用電弧離子鍍及磁控濺射技術(shù)復(fù)合制備的(Cr，Al)N 薄膜表面較為平整，有少數(shù)大顆粒存在但是尺寸較小，并且隨著占空比的增加表面缺陷和顆粒呈現(xiàn)減少的趨勢。

　　3、復(fù)合離子鍍得到的(Cr，Al)N 薄膜的擇優(yōu)取向為(200)，并且該晶面對應(yīng)的衍射峰相對強度隨占空比增大逐漸增強，表明占空比對晶體的微觀結(jié)構(gòu)有較明顯影響。

　　4、隨著脈沖偏壓占空比的增加，(Cr，Al)N薄膜的顯微硬度先增加后降低，在占空比為40%時，其值達到最大為1725 Hv。