脉冲偏压电弧离子镀（TiMe）N多元复合硬质薄膜研究

论文摘要

本文对脉冲偏压电弧离子镀（TiMe）N多元复合硬质薄膜进行了研究,选用电负性与Ti元素存在不同程度差异的过渡金属Nb、Cr、Zr作为添加元素,在其它工艺参数相同的条件下,通过调节脉冲偏压幅值来定性改变沉积粒子的能量,在高速钢试样表面制备了（TiMe）N多元复合薄膜,并对膜层的相结构及性能进行了分析和测试。结合化合物的热力学相关理论,讨论了在薄膜沉积过程中,脉冲偏压强度即沉积粒子能量对膜层成分、相结构及性能的影响。 （TiMe）N薄膜相结构分析表明:（TiMe）N多元复合薄膜的相结构同添加元素的热力学性质有关,并受到沉积粒子能量的影响。文中根据热力学原理计算出沉积体系中各种化合物相的生成能,并结合粒子能量对膜层的相结构及相应的性能进行了分析和解释。对于（TiNb）N、（TiCr）N薄膜,由于NbN及CrN相的生成能均高于TiN,故在较低粒子能量时薄膜主要体现为TiN类型的晶体结构,而在较高粒子能量条件下,（TiNb）N膜层中TiN与NbN相趋向分离,（TiCr）N薄膜在实验设定的偏压强度范围内,均主要体现为TiN类型的晶体结构,没有形成独立的TiN或CrN相。对于（TiZr）N薄膜,由于TiN相和ZrN相的生成能十分接近,在实验设定的偏压强度范围内,薄膜全部由TiN和ZrN的混合相组成。 对（TiMe）N多元复合薄膜的显微硬度和膜基结合强度进行了测试和分析,结果表明:与TiN薄膜相比,（TiMe）N薄膜的综合性能均得到了不同程度地改善。（TiNb）N及（TiCr）N薄膜的显微硬度最大值均对应着薄膜实际晶格常数与理论计算的晶格常数差异的突变点,这说明膜层中残余应力对于薄膜硬度存在着一定程度的影响。此外,（TiNb）N薄膜透射电镜分析表明,-900V偏压时薄膜的晶粒尺度细小,尺度分布均匀,Hall-Petch效应是（TiNb）N薄膜在高粒子能量条件下显微硬度提高的另一个主要原因。微观区域的讨论分析表明,沉积粒子与表面的碰撞过程中,在一定的微区范围内产生了瞬间的高能密度状态,为细小均匀的纳米晶薄膜的形成提供了有利条件。 对（TiNb）N多层薄膜进行了初步的研究和讨论。薄膜机械性能测试表明:多层薄膜的综合性能得到了改善,显微硬度及膜基结合强度均有所增加。多层薄膜显微硬度提高的原因可能有两个,即晶粒细化引起的Hall-Petch效应以及位错源在膜层内部的产生和运动受到了抑制,二者共同作用导致了薄膜硬度的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电弧离子镀
• 1.3 脉冲偏压电弧离子镀
• 1.4 TiN基多组元薄膜及多层薄膜研究进展
• 1.5 电弧离子镀存在的问题与解决现状
• 1.6 论文工作的内容与意义
• 第二章 实验设备与实验方法
• 2.1 实验设备简介
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 脉冲偏压及偏流的波形检测
• 2.2.2 基体材料的选择原则、制备及预处理
• 2.2.3 薄膜材料的选择及制备工艺
• 2.2.4 薄膜结构及性能分析测试方法
• 第三章 （TiNb）N多组分薄膜的制备工艺、结构及性能
• 3.1 前言
• 3.2 TiN膜层的制备工艺
• 3.2.1 TiN膜层的沉积工艺参数
• 3.2.2 TiN膜层的成分、结构与性能
• 3.3 （TiNb）N薄膜的制备及性能测试
• 3.3.1 膜层的沉积工艺参数
• 3.3.2 （TiNb）N薄膜成分分析
• 3.3.3 （TiNb）N薄膜的相结构分析
• 3.3.4 透射电子显微镜（TEM）分析
• 3.3.5 （TiNb）N薄膜显微硬度测试
• 3.3.6 （TiNb）N薄膜与基体结合强度的测试分析
• 3.4 脉冲偏压强度对（TiNb）N薄膜相结构影响的讨论
• 3.4.1 化合物相的化学自由能
• 3.4.2 荷能粒子轰击效应
• 3.5 本章小结
• 第四章 电弧离子镀（TiNb）N结构调制多层薄膜的初步研究
• 4.1 前言
• 4.2 （TiNb）N结构调制多层薄膜的制备工艺
• 4.3 （TiNb）N结构调制多层薄膜的力学性能测试及分析
• 4.4 （TiNb）N多层薄膜的调制结构探讨及分析
• 4.5 本章小结：
• 第五章 （TiCr）N、（TiZr）N薄膜的制备及其结构与性能
• 5.1 前言
• 5.2 （TiCr）N薄膜的制备及性能
• 5.2.1 沉积工艺对（TICr）N膜层成分的影响
• 5.2.2 （TiCr）N薄膜的相结构分析
• 5.2.3（TiCr）N薄膜的显微硬度测试
• 5.3 （TiZr）N薄膜的制备及性能
• 5.3.1 沉积工艺参数对（TiZr）N膜层成分的影响
• 5.3.2 （TiZr）N薄膜相结构分析
• 5.3.3 （TiZr）N薄膜显微硬度测试
• 5.3.4 （TiZr）N薄膜划痕结合力测试
• 5.4 （TiMe）N多组分膜层相结构的热力学讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
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