鋁靶電流對TiAlN薄膜組織結構與性能的影響

廖鳳娟，趙廣彬，譚 剛，羅 磊，張麗珍，何 迪，李欣健

(西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

采用磁控濺射離子鍍技術制備的薄膜，具有純度高、基材溫升低、薄膜厚度均勻、膜基結合力好、膜層組織致密等優點，因此磁控濺射離子鍍已被廣泛應用于材料表面改性、微電子、光學薄膜等領域。其中，結合負偏壓進行反應磁控濺射沉積是一種相當有效的制備TiN、TiAlN薄膜的方法[1]。TiAlN薄膜是在TiN薄膜的基礎上添加Al元素形成的一種新型涂層材料，具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強、摩擦因數小、導熱率低等優良特性，尤其適合用于高速切削高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金等材料[2]。本文采用非平衡磁控濺射離子鍍技術在YG6硬質合金基體上鍍制TiAlN薄膜，研究不同Al靶電流對薄膜組織結構與性能的影響。

1 實驗材料及方法

實驗采用CH-850型非平衡磁控濺射離子鍍膜機。試樣是三角形的YG6硬質合金，依次經過超聲波清洗、清水沖洗、干燥后裝入鍍膜機內。抽真空至5.0 mPa后，充入Ar氣體(純度>99.999%)作為工作氣體，反應氣體為N2(純度>99.999%)[3]。沉積工藝參數為： N2分壓30 mPa，用Ar離子轟擊清洗15 min后，先沉積過渡層TiN，再沉積TiAlN薄膜，隨爐冷卻后出爐。其制備工藝如表1。

采用DX-1000 XRD測試儀分析薄膜的物相，利用S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察薄膜的表面形貌，利用HVS-1000型數顯顯微硬度計測試薄膜的顯微硬度[4]。

表1 TiAlN薄膜沉積參數

2 結果與分析

2.1 TiAlN薄膜的物相分析

對4個試樣進行XRD分析，得到的衍射圖譜如圖1所示。圖1(a)、(b)、(c)、(d)的Al靶電流分別為15、20、25、30 A，其他工藝參數相同。從圖中可以看出，圖1(a)的膜層中只出現了TiN(111)和TiN(311)的衍射峰，晶面沿(111)擇優取向，可能是Al靶功率太低，膜層中Al原子沒有替換TiN中的Ti原子，所以優先生成TiN。圖1(b)的膜層中沒有生成晶相，只有基體WC的衍射峰。可能是AlN和TiN在膜層中相互制約生長，都是以非晶態存在[5]。隨著Al靶電流的提高，薄膜中出現了Ti3AlN和AlN的衍射峰，且Ti3AlN相沿(220)晶面擇優取向。Al靶電流的提高使膜層中Al原子的含量明顯超出Ti原子的含量，優先生成纖鋅礦六方AlN相，而含量較少的Ti原子替換了AlN中Al原子的位置，從而形成了Ti3AlN合金。當Ti原子消耗殆盡時，AlN中Al原子得不到替換，所以膜層中還有殘留的AlN相。圖1(d)的膜層中又出現了TiN的衍射峰，說明當Al量過高時，會出現少量Ti原子以TiN相形式獨立存在，與文獻[6]的研究結論一致。

2.2 TiAlN薄膜的表面形貌分析

從XRD分析結果可知，只有3#樣品和4#樣品的膜層中出現了TiAlN相。3#樣品和4#樣品的表面形貌如圖2所示。可以看出Al靶電流對TiAlN薄膜表面形貌有明顯的影響。這是因為不同的Al靶電流使入射離子具有不同的靶材轟擊能量，導致濺射離子所攜帶的能量不同，當粒子沉積到基面后，其擴散遷移率也不盡相同，從而造成薄膜表面的形貌不盡相同。3#樣品薄膜表面晶粒的形狀各不相同，尺寸大小不一，島與島之間有少量微孔，表面粗糙度較大。4#樣品薄膜表面呈致密的條狀結構，晶粒尺寸均勻，組織致密，薄膜表面較平整光滑。Al靶電流的提高使Al原子的動能和數量增加，到達基體表面的遷移率增大，能量高的入射原子束能直接碰撞島，使其發生分解,形成更多的臨界核心，細化了晶粒，使薄膜變得致密平整[7]。由此可見，適當增大Al靶電流能細化薄膜晶粒，可使組織更加致密連續，降低薄膜表面的粗糙度。

圖1 不同Al靶電流下薄膜的XRD圖譜

圖2 3#樣品和4#樣品的表面形貌圖

2.3 TiAlN薄膜的顯微硬度分析

圖3為Al靶電流對TiAlN薄膜顯微硬度的影響。可以看出，隨著Al靶電流的提高，薄膜的顯微硬度先增加后減小，當Al靶電流為25 A時硬度最高為3 083 HV。

圖3 Al靶電流對TiAlN薄膜顯微硬度的影響

由XRD分析結果可知，當Al靶電流較小時，膜層中只存在TiN相，以及些許彌散的AlN非晶相，此時硬度值較低。隨著Al靶電流的提高，薄膜中出現彌散的AlN非晶相增多，彌散強化的作用明顯，硬度值有所升高。當Al靶電流提高到21 A時，薄膜的硬度有了很大的提升，這是因為薄膜中出現了Ti3AlN硬相以及Al2Ti分離相，在一定的Al含量范圍內，隨著Al含量的不斷增大，薄膜的顯微硬度也隨之增大，薄膜從TiN的面心立方結構轉化為AlN的纖鋅礦六方結構，當薄膜中同時存在此2種結構時，薄膜硬度達到最大值。由于Al原子的半徑小于Ti原子的半徑，因此A1原子可置換面心立方晶體TiN中Ti原子，從而使TiN晶體結構產生畸變，晶面間距減小，此時產生的內應力使薄膜形成晶格畸變強化。同時，Ti原子的置換會產生位錯釘扎作用，阻礙了位錯的運動，最后造成位錯的增值與塞積，也會使薄膜產生強化作用[8-10]。當Al靶電流繼續增加，薄膜中又出現了TiN相,所以薄膜的顯微硬度呈現出下降的趨勢。

3 結論

利用非平衡磁控濺射方法沉積TixAl1-xN薄膜，研究Al靶電流對TixAl1-xN薄膜性能的影響，得出如下結論。

1)Al靶電流對薄膜的物相形成有一定的影響。TiAlN薄膜主要由纖鋅礦結構的Ti3AlN、AlN相組成，Ti3AlN相沿(220)晶面有擇優取向趨勢。

2)TiAlN薄膜表面平整、連續且致密，晶粒形貌清晰，且均勻性較好。隨著Al靶電流的增加，晶粒從疏松的顆粒狀結構變為致密的條狀結構，表面粗糙度降低。

3)隨著Al靶電流的增加，顯微硬度先升高后降低，Ti3AlN硬相的出現增大了薄膜的硬度，過多的AlN相會降低薄膜的硬度。當Al靶電流為25 A時，硬度出現最大值3 083 HV。

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