金剛石涂層基體間結(jié)合力的測(cè)定

李建國(guó)，胡文軍

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

0 引 言

金剛石涂層具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)、高化學(xué)穩(wěn)定性等一系列與金剛石膜相似的優(yōu)異性能，因此在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。由于金剛石涂層生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生高應(yīng)力，再加上本身具有的化學(xué)惰性，難以與基體形成化學(xué)鍵合，使得其與一些常用的基體材料難于形成強(qiáng)固的粘合層。金剛石涂層結(jié)合力是評(píng)價(jià)涂層質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是保證涂層滿足各種性能要求的基本前提；因此，提高金剛石薄膜膜基結(jié)合強(qiáng)度已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1-3]。

由于涂層結(jié)合力具有界面作用力和內(nèi)聚力的特點(diǎn)，所以目前結(jié)合力測(cè)定非常困難，至今還沒(méi)有準(zhǔn)確和統(tǒng)一的方法[4-5]。常用方法各有局限性，其結(jié)果只能用來(lái)與結(jié)合力給定值進(jìn)行相對(duì)比較，從側(cè)面對(duì)涂層結(jié)合力予以評(píng)價(jià)，看是否達(dá)到了能夠接受的水平；因此，本文從評(píng)價(jià)涂層結(jié)合力的各種測(cè)定方法入手，優(yōu)選了測(cè)定硅基金剛石涂層結(jié)合力的測(cè)定方法，在此基礎(chǔ)上，研究了典型工藝條件下結(jié)合力的變化規(guī)律。

1 結(jié)合力測(cè)試方法

一種有效的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法應(yīng)滿足3個(gè)基本條件[6]：（1）膜層從基體分離，失效發(fā)生在界面；（2）力學(xué)模型簡(jiǎn)單，能得到與界面性能直接相關(guān)的力學(xué)參量，要求該參量對(duì)界面因素敏感，對(duì)非界面因素不敏感；（3）符合工況，即膜基在界面上分離是在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間過(guò)程中完成的，并非一次性破壞。目前常用檢測(cè)金剛石涂層結(jié)合力的方法主要有壓入法和劃痕法。

1.1 壓入法

壓入法是20世紀(jì)80年代初才提出作為檢驗(yàn)結(jié)合強(qiáng)度的方法，80年代末將四棱錐壓頭 （棱邊引起的應(yīng)力集中常使膜產(chǎn)生破裂）改為圓錐壓頭。進(jìn)入90年代后壓入法的力學(xué)理論分析得到發(fā)展，工程上也出現(xiàn)了新的壓入儀，即使用洛氏硬度計(jì)（1.471kN）加載[7]，引起與壓痕邊緣相鄰的膜層破壞。在卸載后用100倍的光學(xué)顯微鏡觀察，以評(píng)定其試驗(yàn)結(jié)果。圖1為洛氏硬度計(jì)逐級(jí)加載檢測(cè)硬質(zhì)合金基體涂層金剛石結(jié)合力形貌圖[3]。

圖1 壓痕法測(cè)結(jié)合力

用壓入法測(cè)定膜基結(jié)合強(qiáng)度需要精確測(cè)定膜層開(kāi)裂或剝落的臨界載荷，而目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的壓入法實(shí)驗(yàn)是在分級(jí)的固定載荷下進(jìn)行，應(yīng)屬非連續(xù)加載，只能用內(nèi)插法確定，難以精確測(cè)定臨界載荷。另外，壓入法的加載載荷值相對(duì)較高，最小值為0.3kN，不適于脆性的硅基涂層檢測(cè)。

1.2 劃痕法

劃痕法是表征膜基結(jié)合力最廣泛、也是研究最多的一種方法[8]。劃痕試驗(yàn)是20世紀(jì)30年代發(fā)明的，它是用一個(gè)直徑為200 μm的半球型壓頭在薄膜表面劃動(dòng)，同時(shí)逐漸加力，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，薄膜破裂剝落，這一載荷稱為臨界載荷，用Lc表示。臨界載荷可用聲發(fā)射檢測(cè)，也可用摩擦力檢測(cè)，近來(lái)用顯微鏡觀察以剝落一定面積膜層所對(duì)應(yīng)的載荷定義Lc更為精確。

實(shí)際上劃痕過(guò)程是很復(fù)雜的，既有正壓力又有摩擦力，整個(gè)劃痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程可看成裂紋擴(kuò)展過(guò)程，金剛石壓頭與涂層表面接觸加載產(chǎn)生細(xì)微裂紋，隨著壓頭在涂層表面滑動(dòng)且載荷不斷加大，裂紋不斷向涂層內(nèi)部擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到基體。臨界載荷值受到膜厚、膜與基體的硬度、膜層結(jié)構(gòu)以及膜基結(jié)合強(qiáng)度等因素的影響。試驗(yàn)表明，在相同的膜基體系中，調(diào)控工藝如碳?xì)淞髁勘取⒉煌练e溫度等對(duì)膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響，采用劃痕法能得到有效的結(jié)果。但對(duì)不同膜基體系，它存在的2個(gè)效應(yīng)即基體硬度（Hs）效應(yīng)和膜層厚度（f）效應(yīng)（即Hs增加則Lc增加；f增加則Lc增加），這2個(gè)效應(yīng)顯然屬于非界面因素，它們對(duì)Lc的變化有可能大于結(jié)合強(qiáng)度改變引起Lc的變化。所以，更確切地說(shuō)，Lc是一個(gè)綜合指標(biāo)，它代表的是膜基體系的綜合承載能力。

2 試 驗(yàn)

2.1 樣 品

金剛石薄膜的沉積實(shí)驗(yàn)是在自行研制的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)上完成的。通過(guò)控制基體溫度、反應(yīng)室氣壓、含碳?xì)怏w濃度和氣體流量等沉積參數(shù)，反應(yīng)氣體為CH4和H2混合氣，CH4的體積分?jǐn)?shù)為1%～4%，氣體流量采用1L/min，基體溫度800～950℃，沉積時(shí)氣壓為2.0～4.0kPa，沉積時(shí)間3h。在沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)甲烷濃度和氣壓來(lái)達(dá)到所要求的沉積目的。

2.2 劃痕試驗(yàn)

研究采用了CETR公司UMT-3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的劃痕模塊進(jìn)行結(jié)合力評(píng)定，劃痕模塊在測(cè)試過(guò)程中可以采集聲發(fā)射信號(hào)和切向摩擦力，還可觀察劃痕形貌。針對(duì)不同的膜系和測(cè)量范圍，該試驗(yàn)機(jī)具備3種劃痕法測(cè)試涂層結(jié)合力：金剛石針尖（曲率 12.5 μm，加載力 0～5 N）、金剛石壓頭（曲率 200 μm，加載力 0～200 N）和鏟刀（硬質(zhì)合金曲率400 μm，合成金剛石曲率 800μm，加載力 0～200N）。3種劃針如圖2所示。

圖2 3種劃痕頭實(shí)物圖

所用參數(shù)如下：

壓頭：Rockwell型，金剛石，曲率半徑 200 μm，錐角 120°；

加載范圍：0～200N，分辨率為0.01N；

加載方式：線性連續(xù)；

加載速度：0.2mm/s；

劃痕長(zhǎng)度：5mm。

信號(hào)采集：聲發(fā)射，法向力，切向摩擦力，摩擦系數(shù)。

3 膜基結(jié)合力分析

在金剛石壓頭沿著薄膜表面線性加載法向載荷的過(guò)程中，薄膜會(huì)出現(xiàn)微裂紋、破裂、從基體剝離、塑性失效等（以下稱之為結(jié)合失效）。當(dāng)薄膜出現(xiàn)結(jié)合失效時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)峰會(huì)突然增強(qiáng)，然而干擾聲信號(hào)、薄膜中大顆粒的存在等也可能產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)峰，因而出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)峰值處的法向載荷可作為臨界載荷的初步評(píng)定值。當(dāng)摩擦因子為常量時(shí)，摩擦力-法向載荷曲線為直線；當(dāng)劃痕過(guò)程中膜基結(jié)合失效時(shí)，摩擦因子發(fā)生變化，摩擦力突然變大或變小，在曲線上出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，但“拐點(diǎn)”也會(huì)出現(xiàn)在大顆粒等異常位置加載處。采用光學(xué)顯微鏡可以觀察聲發(fā)射信號(hào)峰或 “拐點(diǎn)”處的劃痕形貌，用于修正臨界載荷。本研究采用聲發(fā)射強(qiáng)度突然變化、切向摩擦力變化拐點(diǎn)及劃痕形貌3種方法綜合評(píng)定臨界載荷。

3.1 聲發(fā)射法確定臨界載荷

聲發(fā)射法是當(dāng)壓頭將涂層劃破或剝落時(shí)會(huì)發(fā)出微弱的聲信號(hào)，通過(guò)傳感器獲取劃痕時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)的起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷值即為被測(cè)膜材料從基體脫落的臨界載荷Lc。圖3是不同工藝沉積的兩種硅基金剛石薄膜樣品，在劃痕儀劃痕過(guò)程的聲發(fā)射、摩擦切向力圖譜。從圖可見(jiàn)，根據(jù)縱坐標(biāo)的聲發(fā)射信號(hào)峰值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)，初步判定A、B樣品的金剛石薄膜的臨界載荷分別為 26.72，33.85 N。

圖3 兩種工藝條件下劃痕試驗(yàn)

聲發(fā)射法雖然簡(jiǎn)單，但是該方法只對(duì)一定厚度范圍的脆性薄膜有效。金剛石薄膜本身是一種脆性薄膜，故發(fā)生破壞時(shí)能夠捕捉到很明顯的聲發(fā)射信號(hào)。

3.2 摩擦力法確定臨界載荷

摩擦力法是當(dāng)壓頭在試樣表面上滑動(dòng)時(shí)，隨著試驗(yàn)力增加，類(lèi)似于聲發(fā)射信號(hào)將出現(xiàn)切向摩擦力突然增大，此時(shí)表示膜已破壞，相應(yīng)的試驗(yàn)力即為L(zhǎng)c。圖3中用CETR劃痕儀測(cè)量A樣品而畫(huà)出的摩擦力-法向加載載荷曲線，在顯示的法向加載載荷26.72N處出現(xiàn)了摩擦力“拐點(diǎn)”，“拐點(diǎn)”就是A樣品的臨界載荷。這與聲發(fā)射技術(shù)所判定的值一致性較好。因此，可以認(rèn)為在CETR劃痕儀中，既可用聲發(fā)射強(qiáng)度突變，也可用摩擦力大小突變時(shí)的臨界載荷表征膜基結(jié)合力。B樣品法向加載載荷-摩擦力曲線與聲發(fā)射曲線變化趨勢(shì)基本相同，即可判定臨界載荷為33.85N。

3.3 劃痕形貌法確定臨界載荷

用光學(xué)顯微鏡對(duì)劃痕進(jìn)行觀察，以出現(xiàn)薄膜開(kāi)裂或脫離的最小負(fù)荷為臨界載荷Lc，如圖4所示。劃痕試驗(yàn)過(guò)程可分為3個(gè)顯微區(qū)段：

圖4 兩種工藝條件下劃痕光學(xué)照片

I區(qū)段：載荷較低，劃痕內(nèi)部光滑；隨載荷增大劃痕內(nèi)薄膜上開(kāi)始出現(xiàn)少數(shù)裂紋，此時(shí)的載荷達(dá)到薄膜內(nèi)聚失效的臨界載荷，在這一階段薄膜的破壞形式主要是輕微塑性變形，因此劃痕寬度較窄，摩擦力小，聲發(fā)射信號(hào)也較平穩(wěn)。

II區(qū)段：載荷較高，壓頭劃過(guò)后，因彈性恢復(fù)引起源于表面的規(guī)則橫向裂紋。隨著載荷的進(jìn)一步增加，薄膜逐漸被壓入基體并產(chǎn)生塑性變形，從而產(chǎn)生新的橫向裂紋，裂紋逐漸變密且方向變得不規(guī)則，直至劃痕內(nèi)部薄膜開(kāi)始出現(xiàn)大片剝離，劃痕寬度明顯變寬，摩擦力及塑性變形突然增大，劃痕邊界處薄膜有局部小片剝落的現(xiàn)象，此時(shí)的載荷即薄膜－基體界面附著失效的臨界載荷Lc。摩擦力和聲發(fā)射信號(hào)會(huì)出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。

III區(qū)段：載荷大于臨界載荷，壓頭與基體直接接觸，使基體塑性變形快速增大，聲發(fā)射強(qiáng)度和摩擦力均處于較高的狀態(tài)。由于膜自身的影響相對(duì)較低，聲發(fā)射的強(qiáng)度和摩擦力的增大趨勢(shì)趨于緩和。

4 結(jié)束語(yǔ)

劃痕試驗(yàn)法是評(píng)價(jià)金剛石涂層基體間結(jié)合力的一種有效而實(shí)用的方法，提供了一種對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果量化比較的可能，特別是對(duì)于脆性的金剛石薄膜，其臨界載荷是膜基結(jié)合的直接判據(jù)，而且摩擦力、聲發(fā)射信號(hào)、形貌觀察完全吻合，可得到膜基結(jié)合的測(cè)量值。

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