多弧離子鍍制備（Ti，Cr）N納米復(fù)合膜的研究進展

鄭小龍 沈華剛 任建瑋 宋杰遠 孫琿

摘? 要：文章通過調(diào)研國內(nèi)外多弧離子鍍制備（Ti，Cr）N納米復(fù)合膜的研究，分析了偏壓、弧電流等制備參數(shù)對薄膜機械性能的影響。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：在TiN薄膜中引入Cr元素后，有效地提升了薄膜的機械性能;而偏壓和弧電流在多弧離子鍍制備（Ti，Cr）N的過程中，對成膜性質(zhì)有很重要的作用。從理論原理來看，偏壓提供了加速離子所需的能量，弧電流則是弧光放電的基礎(chǔ)。它們的共同特征是數(shù)值增大會給離子帶來更多的能量，加劇離子對襯底的撞擊，從而提高膜基結(jié)合力和薄膜硬度。不過因為作用機理的不同，它們對薄膜的影響也不都是正面的，比如偏壓較大時會降低薄膜的厚度和沉積速率，而弧電流過大則會增加大液滴的形成概率。因此，在多弧離子鍍制備（Ti，Cr）N薄膜的過程中，應(yīng)該在綜合評估各實驗參數(shù)的影響后進行優(yōu)化，從而提高薄膜機械性能。

關(guān)鍵詞：（Ti，Cr）N薄膜;多弧離子鍍;納米復(fù)合膜

中圖分類號：TB34? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.19881/j.cnki.1006-3676.2020.10.11

Research Status of Preparation of （Ti，Cr）N Nanocomposite Film by Multi-Arcion Plating

Zheng Xiaolong1? Shen Huagang1? Ren Jianwei1? Song Jieyuan2? Sun Hui2

（1.Engineering Physics Laboratory，Qingdao Topscomm Communication Co.，Ltd，Shandong，Qingdao， 266109;2.School of Space Science and Physics，Shandong University，Shandong，Weihai， 264209）

Abstract：This paper summarized the main results of the research on the preparation of （Ti，Cr）N nanocomposite film by multi-arc ion plating，and investigated the effects of deposition parameters such as bias voltage and arc current on the properties of the films. It is found that the introduction of Cr element in TiN film effectively improved the films hardness，wear resistance and corrosion resistance;meanwhile，the films properties are also affected by bias voltage and arc current. From a theoretical point of view，the bias voltage provides the energy to accelerate the ions bombarding the substrate，and the arc current is the basis of the arc discharge. Their common feature is that increasing their value will bring more energy to the ions，increasing the impact of the ions on the substrate，thereby increasing the films adhesion strengthen and the hardness. However，due to the different mechanism of action，their effects on the film are not always positive. For example，when the large bias voltage is applied，the thickness and deposition rate of the film are lowered，and the arc current is excessively increased to increase the number of large droplets. Consequently，when prepare （Ti，Cr）N films by multi-arc ion plating，the optimization should be carried out after comprehensive evaluation of the influence of each experimental parameters，so as to improve the mechanical properties of the film.

Key words：（Ti，Cr）N thin film;Multi-arcion plating;Nanocomposite film

一、前言

21世紀以來，薄膜材料加工技術(shù)在工業(yè)中的發(fā)展與應(yīng)用變得愈發(fā)重要，各種新技術(shù)層出不窮，研究價值日益顯現(xiàn)。最初制備硬質(zhì)涂層是為了優(yōu)化工具本身的力學(xué)性能，其核心是選取合適的鍍膜材料與制備工藝。TiN薄膜結(jié)合了金屬晶體和共價晶體各自的優(yōu)勢，具有較高的硬度和良好的耐磨性，因而得到了廣泛的研究與發(fā)展，迅速實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

但是隨著諸多研究陸續(xù)進行，此類二元薄膜的局限性逐漸顯露出來。例如，自身硬度極限不高、成膜過程容易出現(xiàn)較多孔洞、與其他物質(zhì)的結(jié)合力會受到抑制、易催生柱狀晶等特殊結(jié)構(gòu)等。這些問題限制了薄膜力學(xué)性能的進一步提高，使其逐漸被一些新型薄膜[如 CrN、（Ti，Cr）N、（Ti，Al）N]替代[1]。比如，摻Al的（Ti，Al）N薄膜就具有良好的抗氧化性和熱穩(wěn)定性[2]，在實際應(yīng)用中，可使器件壽命延長接近兩倍。除了添加金屬元素之外，加入一些非金屬元素也可提升其硬度和耐磨性，但對于如何控制好摻雜比例還需要進行深入研究?？傊?，二元氮化物有著很好的同類互溶性，通過新興的蒸發(fā)沉積、多弧離子鍍等先進手段，可以在TiN的制備中，摻入Cr、Al等元素，形成三元甚至多元的復(fù)合型薄膜，這些納米復(fù)合膜具有更優(yōu)越于二元薄膜的力學(xué)性能，有著廣闊的應(yīng)用價值。

這些種類繁多的納米復(fù)合膜應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，可以滿足各種不同的需求。其中（Ti，Cr）N納米復(fù)合膜的研究一直備受學(xué)界關(guān)注，因為Cr元素有著良好的鈍化特性，在薄膜使用過程中可以形成非常致密的鈍化膜，從而改善了TiN薄膜的抗氧化性和耐腐蝕性，提高了薄膜的耐磨性[3]。但是在實際應(yīng)用中，如何選取合適的工藝參數(shù)，使得薄膜制備的效果最好、效率最高，是許多學(xué)者致力研究的問題。筆者選取了偏壓、弧電流兩個角度，分析了它們對制成薄膜性能的影響。

二、制備工藝對膜層的影響

偏壓和弧電流在多弧離子鍍制備（Ti，Cr）N的過程中，對成膜性質(zhì)有很重要的作用。從理論原理來看，偏壓提供了加速離子所需的能量，弧電流則是弧光放電的基礎(chǔ)。所以，這兩個因素是技術(shù)得以成形的必備條件，其變化會對最終成膜的表面形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)等屬性產(chǎn)生很大影響。不過，它們的作用機理并不同，偏壓較大時會降低薄膜的厚度和沉積速率，而弧電流過大會提高大液滴的密度及尺寸。目前，國內(nèi)外很多研究團隊在這兩個方向上展開了諸多研究。

（一）偏壓對膜層的影響

負偏壓提供給各種離子和高能粒子很高的能量，促使其離化并與基體碰撞。所以，選取一個合適的偏壓數(shù)值，對成品薄膜的最終質(zhì)量和性能有很大的影響。增大負偏壓使離子獲得更多的能量，增強的濺射效應(yīng)使得薄膜內(nèi)部結(jié)合更為致密，可以提高薄膜的硬度。濺射效果增強或使其脫落，減少大液滴的數(shù)量和大小。但是這種濺射不僅會損害薄膜表面，增加了表面粗糙度，還會造成薄膜厚度的減小，影響沉積速率。

付志強[4]等人采用分離靶技術(shù)研究負偏壓對（Ti，Cr）N薄膜的影響，發(fā)現(xiàn)對所生成薄膜的微觀成分來說，改變負偏壓對其影響不大，但會影響沉積產(chǎn)生液滴的情況。研究發(fā)現(xiàn)，液滴的大小和數(shù)量會隨著負偏壓的增大而受到抑制，從而增加膜層的硬度而降低表面粗糙度。具體原理：隨著沉積偏壓的增大，轟擊薄膜的離子有著更高的能量，對于一些結(jié)合不那么緊密的大顆粒，高能離子可以將其濺射掉，對于一些尺寸比較大的顆粒，高能粒子也可將其打碎。這可以減小薄膜的表面粗糙度和內(nèi)部缺陷。但是，較大的偏壓會導(dǎo)致濺射的增強和薄膜致密性的提高，這些因素會降低薄膜的沉積速率。

周蘭英[5]等人研究了在鋁合金表面鍍（Ti，Cr）N膜的厚度特性，觀察了負偏壓對膜層厚度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在一定的工藝條件下，厚度隨著負偏壓的提高先增加，但達到峰值以后，因為Ti元素的再濺射強于N元素，而等離子體離子在電場力的施用下，能量不斷增大，膜層因轟擊受到的損耗增大，所以膜層的厚度會開始減少。這個偏壓影響膜層厚度的峰值在175 伏左右。

所以，一味地增加負偏壓的大小并不能保證薄膜的質(zhì)量，通過這種方式減少大顆粒也是得不償失。面對這個問題，脈沖偏壓的技術(shù)應(yīng)運而生，魏永強[6]等研究了脈沖偏壓和直流偏壓對液滴數(shù)量的不同影響，發(fā)現(xiàn)前者可以顯著減少薄膜中液滴的數(shù)量。偏壓周期性的出現(xiàn)，使得液滴在電場中持續(xù)吸引負電子，增加了其攜帶負電荷的數(shù)量，提高了液滴克服電場力到達基底所需的能量。

（二）弧電流對膜層的影響

與偏壓對薄膜的影響類似，增大弧電流會給離子帶來更高的能量，攜帶較高能量的離子撞擊基底，會使制備的薄膜更加致密，硬度和耐磨性隨之增強。同時較大的弧電流會增加靶材的離化率，使得沉積到基底表面的離子數(shù)量增加，導(dǎo)致薄膜的厚度增加。但是，過高的能量致使濺射作用增強，如果弧電流過大，也會損害制備的薄膜，增大表面粗糙程度。當(dāng)弧電流較大時會提高能流密度，增大電場強度，從而使弧斑處聚集更多的熱量產(chǎn)生更大的熔池，導(dǎo)致陰極輝點的數(shù)量增加，這會產(chǎn)生更多的大顆粒，然后沉積在薄膜表面，進而使得薄膜的表面粗糙度增大，影響薄膜的耐磨性[7]。

不過在實際應(yīng)用中，弧端電流的可調(diào)范圍并不大，所以有一些研究著手于不同靶間電流的比值對薄膜制備的影響。郭巧琴[8]等人研究了在高速鋼的表面鍍（Ti，Cr）N薄膜的電化學(xué)性能，著重研究了其耐腐蝕性，并分析了薄膜的表面微觀形態(tài)特點。結(jié)果表明，鍍層表面的晶粒尺寸會隨著Cr靶電流與Ti靶電流比值的增大而減小，而這也會影響薄膜的耐腐蝕性。

多靶共沉積可以很好地調(diào)整膜層成分，從而改善薄膜性質(zhì)。陳軍[9]等人在高速鋼表面利用多弧離子鍍合成（Ti，Cr）N薄膜的流程中，同時選用了兩個靶材料，分別安裝Ti靶和Cr靶，然后調(diào)整不同的分離靶弧電流在60～90安、100～70安之間變化。這樣產(chǎn)生了各種不同的電流配置，可以得到有著不同Cr、Ti含量的薄膜，從而省去專門冶煉不同成分TiCr合金靶的煩瑣步驟，簡化制備步驟的同時也節(jié)約成本。

三、結(jié)論

縱觀多弧離子鍍制（Ti，Cr）N的發(fā)展歷史，從二元薄膜遇到的瓶頸到三元甚至更多元的納米復(fù)合膜的發(fā)展，制備工藝與技術(shù)原理始終是研究的核心。選取合適的偏壓數(shù)值和弧電流，可以提升薄膜的硬度和耐磨性，因為增大偏壓和弧電流可以給離子帶來更多的能量，加劇離子對襯底的撞擊，從而提高膜基結(jié)合力和薄膜硬度。但隨之引發(fā)的濺射增強會帶來沉積速率降低、表面粗糙度增大等反效果，弧電流的增加會使大液滴數(shù)量升高，對膜層造成損害。所以，除了聚焦于現(xiàn)有的參數(shù)調(diào)整之外，技術(shù)的革新還可以帶來更多的可能，綜合分離靶技術(shù)和多弧離子鍍技術(shù)，當(dāng)對Cr和Ti靶一同電離并調(diào)整它們的弧電流比值時，可以提高Cr的含量，從而再次加強薄膜的硬度和耐腐蝕性，增強其高溫抗氧化性。

參考文獻：

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[5] 周蘭英，李晉珩，等.LY12鋁合金表面多弧離子鍍（Ti，Cr）N膜[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2004（04）：286-289.

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[7]? 吳玉廣，陳福砦.離子鍍膜中的弧電流對膜層質(zhì)量的影響[J].真空科學(xué)與技術(shù)，1999（05）：3-5.

[8]? 郭巧琴，李建平，等.多弧離子鍍（Ti，Cr）N鍍層耐蝕性研究[J].電鍍與精飾，2017（08）：6-9.

[9]? 陳軍，林國強，等.電弧離子鍍（Ti，Cr）N硬質(zhì)薄膜的成分、結(jié)構(gòu)與硬度[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2002（05）：555-559.