雙靶共濺射TiAl系高溫耐磨薄膜制備與研究

2014-01-11 張曄常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院模具技術(shù)系

　　在同一次雙靶共濺射過(guò)程中，通過(guò)改變基體相對(duì)于靶材的位置制備了不同化學(xué)成份TiAl系金屬間化合物薄膜。采用EDS、XRD、SEM、AFM等手段對(duì)薄膜的成分、物相結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征，并對(duì)薄膜的高溫摩擦行為進(jìn)行了分析研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：薄膜的化學(xué)成分、物相結(jié)構(gòu)、表面形貌都隨著濺射位置的改變而發(fā)生變化，500℃以下時(shí)位于雙靶中間位置的薄膜具有體系中最佳的性能。

　　Ti-Al系金屬間化合物薄膜是一類典型的硬質(zhì)薄膜，因具有很好的抗氧化性和高溫耐磨性而受到廣泛的關(guān)注,目前這類薄膜的制備多采用復(fù)合靶濺射的方法。因?yàn)門i-Al系金屬間化合物種類較多且物相性能各異,而采用復(fù)合靶制備的薄膜成分較單一,所以欲獲得大范圍成分變化的薄膜就得更換靶材多次濺射,非但增加了薄膜制備的成本，而且給系統(tǒng)性的研究這類薄膜帶來(lái)一定的困難。本實(shí)驗(yàn)采用純金屬鋁和鈦(純度均為99.99%)作為雙靶，通過(guò)改變基體相對(duì)于靶材的濺射位置，在同一次濺射過(guò)程中，制備了一系列大范圍成份變化的Ti-Al系金屬間化合物薄膜。通過(guò)對(duì)不同位置制備薄膜的物相結(jié)構(gòu)、形貌、以及高溫摩擦行為差異的分析，探索其減摩耐磨機(jī)理。

1、試樣制備與試驗(yàn)方法

　　1.1、基體預(yù)處理

　　基體材料選擇0Cr25Ni20耐熱不銹鋼。將塊體切割成20mm×20mm×8mm樣塊，除油，拋光打磨至鏡面(粗糙度Ra0.3μm)后用丙酮清洗,在真空干燥箱中烘干待用。

　　1.2、薄膜制備

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用PSII型雙放電腔微波ECR等離子體增加沉積儀，濺射靶材選用純度均為99.99%且大小尺寸相同的純金屬Al靶和Ti靶，雙靶之間相對(duì)呈90°放置，雙靶與試樣臺(tái)之間的角度均為45°，工作氣體為純度≥99.99%的氬氣，各基體按圖1放置。

濺射位置示意圖

圖1 濺射位置示意圖

　　如圖1所示，為系統(tǒng)地研究不同濺射位置薄膜結(jié)構(gòu)、形貌以及性能的差異，將試樣臺(tái)平均劃分為6個(gè)區(qū)域，分別將最靠近鈦靶和鋁靶的位置標(biāo)為P1和P6。將12個(gè)試樣分別沿試樣臺(tái)中心線按2個(gè)/區(qū)域的辦法平均放置，并從S1到S12進(jìn)行標(biāo)號(hào)，其中最靠近鈦靶的試樣標(biāo)為S1而最靠近鋁靶的試樣標(biāo)為S12。濺射在室溫下進(jìn)行，雙靶均采用水冷，對(duì)所有試樣進(jìn)行100W，20min的反濺清洗后送入主濺射倉(cāng)中濺射，濺射時(shí)本底真空度抽至高于5×10-4Pa，濺射工作氣壓為0.13Pa，雙靶功率均為300W，濺射時(shí)間為2h，濺射過(guò)程中，試樣臺(tái)不旋轉(zhuǎn)。

　　由于在同一次濺射過(guò)程中，各位置其它濺射參數(shù)完全相同，薄膜厚度對(duì)其性能結(jié)構(gòu)的影響大致相當(dāng)，因此可以在忽略厚度等因素影響的前提下，對(duì)Ti-Al基金屬間化合物薄膜的物相組成、表面形貌進(jìn)行分析，并對(duì)其摩擦特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　1.3、薄膜表征與性能檢測(cè)

　　分別采用JXA-840A型SEM(附帶EDS)，D/max/2400型XRD，F(xiàn)UB/SX型AFM以及DCMAX型納米硬度計(jì)等設(shè)備對(duì)薄膜的化學(xué)成分、物相結(jié)構(gòu)，表面和側(cè)向形貌及磨痕形貌等進(jìn)行表征；使用UMT-2型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)薄膜的高溫摩擦磨損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。