不同頻率濺射沉積的新型耐磨二硼化釩涂層的結構及性能

2015-07-25 陳春立 西安建筑科技大學材料與礦資學院

　　采用不同的電源頻率沉積新型硬質耐磨VB2涂層。用X 射線衍射(XRD) 、掃描電鏡(SEM) 、原子力顯微鏡(AFM) 表征VB2涂層的結構； 采用納米壓痕儀、劃痕儀、摩擦試驗機測試VB2涂層的力學性能和摩擦學性能。XRD 結果顯示，隨著頻率增加，VB2涂層衍射峰向小角度偏移，并成( 001) 面擇優(yōu)取向。頻率的增加使得VB2涂層的結構從柱狀結構變?yōu)轭愃品蔷У闹旅芙Y構且表面顆粒和粗糙度變小。同時比較不同電源頻率下制備的VB2涂層在力學性能及摩擦性能上的差異。本實驗制備的VB2涂層硬度達到了43 GPa。VB2涂層的磨損率達到了7.8 × 10-16m3 /N m( M2 鋼的300 多倍) 。磨損后形貌顯示，其磨道非常光滑，并出現只產生于輕微磨損的卷軸狀磨屑。

　　近些年，過渡金屬二硼化物的優(yōu)異性能越來越受到人們的關注，例如良好的耐磨性、高硬度、優(yōu)異的穩(wěn)定性、抗腐蝕能力以及與大多數基底材料的良好結合性能。在過渡金屬二硼化物涂層中，TiB2、CrB2已經被研究過：Mayrhofer 等制備出了硬度大于60 GPa 的TiB2涂層，該涂層呈現納米柱狀結構。Berger 和Panich 等研究了TiB2在摩擦上的應用，但他們的磨損率均大于10-16m3/N·m。Audronis 和Zhou 等對CrB2涂層的抗腐蝕、摩擦、力學性能及結構進行了細致的研究。VB2塊體與CrB2和TiB2塊體性能相近，而VB2作為耐磨涂層幾乎沒有科學文獻進行報道。

　　在磁控濺射制備涂層的各項電源設備中，中頻電源克服了射頻電源沉積速度慢，直流電源不便應用于絕緣靶材的缺點，而且中頻電源設備簡單，能夠防止靶中毒。近來還發(fā)現中頻電源能夠通過改變頻率來調整轟擊離子的能量，從而改變涂層的結構及性能。本文的主要目的就是選擇幾種不同頻率的電源制備VB2涂層，測試及比較不同頻率下制備出的新型VB2涂層的結構和性能。

　　1、實驗過程

　　1.1、涂層制備

　　采用雙靶磁控濺射系統(tǒng)制備VB2涂層。如圖1所示，該沉積系統(tǒng)主要有沉積室和進樣室兩部分組成。在沉積室中A、B 靶分別為Ti 靶(直徑100mm，純度99. 99%) 和VB2靶( 直徑100 mm，純度99.9%) ，其中Ti 靶作為沉積過渡層Ti 使用。過渡層Ti 的制備參數為中頻350 W、100 kHz、60% 占空比、0.6 Pa( Ar) 。采用中頻電源( Advanced EnergyPinnacle Plus + 5/5) 作為VB2靶的驅動電源，通過改變電源頻率制備不同結構的VB2涂層。電源功率為400 W；頻率分別為0( 相當于直流DC) ，100，150和250 kHz；占空比為70%。基片偏壓為- 30 V，沉積溫度為300℃。樣品臺自轉轉數為15 r /min。沉積腔室內的背底真空控制在5 ×10-5Pa 以下，工作Ar 氣壓為0.3 Pa( 流量為24 mL /min) 。

　　本實驗采用三種不同基片: (100) 的Si 片，康寧鷹系列的玻璃片以及M2 工具鋼( 16 mm × 16 mm × 3 mm) 。在使用前，對這三種基片分別在丙酮、酒精以及去離子水中進行超聲清洗，并用氮氣吹干。

　　1.2、涂層表征

　　利用X 射線衍射(XRD，Bruker D8 Advance) 、場發(fā)射電子掃描顯微鏡(FESEM，日立的S4800) 和原子力顯微鏡(AFM，ASIT-NT Smart SPM) 對VB2涂層的微觀結構進行表征。其中XRD 采用θ-θ 模式，Cu 靶Kα 作為發(fā)射源。在室溫條件下，VB2涂層硬度的測量采用MTS-NANO G200 型( 壓頭為Berkovich) 納米壓痕儀。測前用燒結石英標樣進行校準。為了減少基底對涂層硬度測試的影響，設定壓入深度為涂層厚度的10%(約150 nm) 。通過Oliver-Pharr 方法分析加載卸載曲線得到硬度和彈性模量，其中在計算彈性模量時用的泊松比為0.18。涂層與基底的結合力采用CSM 公司型號為Revetest 的劃痕儀進行，壓頭為Rockwell 型，半徑為200 μm 的金剛石壓頭。測試時，力的加載速度為98 N/min，壓頭移動速度為6 mm/min。涂層的摩擦學性能測試采用CETR UMT-3 摩擦試驗機，模式為球盤往復。測試條件為室溫，濕度為65 ±7%。對偶球為直徑6 mm 的Al2O3球，加載為2 N。Al2O3球的往復滑行速度和頻率分別為5cm/s 和5 Hz。采用表面輪廓儀( KLA-Tencor Alpha-Step IQ) 獲得磨痕的深度分布；采用FEI QuantaFEG250型FESEM 進一步觀測磨痕形貌。

MS450 磁控濺射系統(tǒng)示意圖

圖1 MS450 磁控濺射系統(tǒng)示意圖

　　3、結論

　　(1) 中頻電源頻率對VB2涂層的晶體取向有重要影響，VB2涂層(101) 不斷減弱，呈現(001) 擇優(yōu)取向，說明頻率的改變抑制了VB2晶體向其他方向生長。

　　(2) 中頻電源在涂層制備中改變了工作離子(Ar+) 的能量，使得VB2涂層的結構從粗大的柱狀晶轉變?yōu)橹旅艿念愃品蔷ЫY構。

　　(3) 晶體取向及結構的改變，涂層的力學性能隨之發(fā)生變化。在VB2涂層最致密時，其硬度達到了43 GPa。

　　(4) VB2涂層的磨損率達到了7.8 × 10-16m3/N·m，且呈現輕微磨損。這種硬質耐磨涂層，也許能在刀具中得到應用。