氮化物/钽多层膜的制备及性能研究

发布时间：2021-06-06 23:47

　　气相沉积薄膜赋予材料表面特殊的物理、化学和机械性能，在航天航空、微电子、机械制造等领域有着重要的应用，特别是在金属切削加工刀具的性能提高方面，具有举足轻重的作用。气相沉积的多层膜往往具有基体和单层膜难以达到的特殊性能，是当前薄膜材料理论与技术的研究热点之一。已有的关于氮化物/金属多层膜的研究成果，预示着气相沉积多层膜技术有着良好的发展前景。钽是一种硬度高、韧性好、熔点高的过渡金属元素，经常用于提高合金的抗高温氧化性能。将钽与氮化物制成多层膜，有可能提高薄膜力学性能及热稳定性。但是，由于全球钽资源不太丰富，相关研究尚少见报道。我国钽资源较丰富，工业储量达3.984万吨，位居世界第二。研究含钽多层膜有助于开创具有自主知识产权的薄膜技术。本文以提高数控机床车削涂层刀具性能为对象，侧重研究TiN/Ta多层膜和TiAlN/Ta多层膜相关理论与技术。采用离子束辅助沉积方法制备不同调制比和调制周期的TiN/Ta多层膜和TiAlN/Ta多层膜，优化多层膜结构；开发适用于氮化物/钽多层膜工业化制备的多弧离子镀和磁控溅射复合镀膜设备及其工艺装备；通过车削和物理化学性能研究，优化硬质合金刀具TiAlN/Ta... 

【文章来源】：机械科学研究总院北京市

【文章页数】：133 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 多层膜的力学特性
        1.2.1 超模效应
        1.2.2 超硬效应
        1.2.3 耐磨性
    1.3 多层膜的强化机制
    1.4 多层膜的材料体系
        1.4.1 金属/金属多层膜
        1.4.2 金属/陶瓷多层膜
        1.4.3 陶瓷/陶瓷多层膜
    1.5 氮化物/金属多层膜
        1.5.1 氮化钛/金属多层膜
        1.5.2 氮化钛铝/金属多层膜
    1.6 含钽薄膜的研究进展
    1.7 本文的研究内容
第二章 多层膜的制备及性能表征方法与仪器设备
    2.1 离子束辅助沉积
        2.1.1 离子束辅助沉积原理
        2.1.2 离子束辅助沉积设备及工艺
    2.2 多弧离子镀
        2.2.1 多弧离子镀的原理
        2.2.2 多弧离子镀的特点
        2.2.3 主要工艺参数
    2.3 磁控溅射
        2.3.1 磁控溅射的原理
        2.3.2 磁控溅射的工艺参数
    2.4 氮化物/钽多层膜的制备
        2.4.1 基体及靶材
        2.4.2 制备工艺
    2.5 多层膜的性能表征方法
        2.5.1 成分及结构分析仪器与方法
        2.5.2 力学性能测试仪器与方法
        2.5.3 其他测试
第三章 TiN/Ta 多层膜的制备及性能
    3.1 TiN/Ta 多层膜的制备工艺
    3.2 TiN/Ta 多层膜调制结构的优化
        3.2.1 调制周期的优化
        3.2.2 调制比的优化
    3.3 TiN/Ta 多层膜的其他力学性能
        3.3.1 膜/基结合力
        3.3.2 断裂韧性
        3.3.3 残余应力
    3.4 TiN/Ta 多层膜的成分及结构
        3.4.1 俄歇电子能谱分析
        3.4.2 透射电镜分析
        3.4.3 X 射线衍射分析
    3.5 TiN/Ta 多层膜的热稳定性
    3.6 TiN/Ta 多层膜的强化机制
    3.7 本章小结
第四章 TiAlN/Ta 多层膜的制备及性能
    4.1 TiAlN/Ta 多层膜的制备工艺
    4.2 TiAlN/Ta 多层膜的力学性能
        4.2.1 纳米硬度
        4.2.2 弹性模量
        4.2.3 膜/基结合力
    4.3 TiAlN/Ta 多层膜的成分及结构
        4.3.1 聚焦离子束-扫描电子显微镜分析
        4.3.2 X 射线衍射分析
    4.4 TiAlN/Ta 多层膜的热稳定性
        4.4.1 DSC/TG 分析
        4.4.2 不同温度下的热稳定性
        4.4.3 TiAlN/Ta 多层膜热稳定性提高的机理分析
    4.5 本章小结
第五章 多弧与磁控溅射复合薄膜沉积设备的研制
    5.1 结构及特点
    5.2 真空系统
    5.3 沉积系统
        5.3.1 弧源及磁控靶
        5.3.2 专用样品架
    5.4 控制系统
    5.5 本章小结
第六章 TiAlN/Ta 多层膜涂层刀具的生产工艺及性能
    6.1 TiAlN 薄膜沉积工艺的优化
    6.2 TiAlN/Ta 多层膜涂层刀具的沉积工艺
    6.3 TiAlN/Ta 刀具涂层的结构
        6.3.1 扫描电子显微镜分析
        6.3.2 X 射线衍射分析
    6.4 TiAlN/Ta 刀具涂层的力学性能
        6.4.1 纳米硬度
        6.4.2 膜/基结合力
    6.5 本章小结
第七章 TiAlN/Ta 多层膜涂层刀具的切削性能
    7.1 TiAlN/Ta 多层膜涂层刀具的三向力测试与分析
        7.1.1 三向力测量方法
        7.1.2 CNMG120408 涂层刀具的三向力分析
        7.1.3 DCGT11T304 涂层刀具的三向力分析
    7.2 TiAlN/Ta 多层膜涂层刀具的切削性能
        7.2.1 切削实验条件
        7.2.2 粗车 1Cr18Ni9Ti
        7.2.3 粗车 20CrNiMo
        7.2.4 粗车调质 45 钢
        7.2.5 精车调质 45 钢
    7.3 本章小结
第八章 涂层表面状态对切削性能的影响
    8.1 涂层表面的“大颗粒”及其对切削性能的影响
    8.2 涂层表面织构及其对切削性能的影响
    8.3 本章小结
第九章 结论及展望
    9.1 本文的主要结论
    9.2 本文的创新点
    9.3 展望
参考文献
致谢
附录


【参考文献】：
期刊论文
[1]TiAlN/CrAlN纳米结构多层膜的结构与性能[J]. 董松涛,喻利花,薛安俊,许俊华.  材料热处理学报. 2010(08)
[2]Influences of Film Thickness on the Electrical Properties of TaNx Thin Films Deposited by Reactive DC Magnetron Sputtering[J]. Hongchuan Jiang,Chaojie Wang,Wanli Zhang,Xu Si and Yanrong Li State Key Laboratory of Electronic Thin Film and Integrated Devices,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China.  Journal of Materials Science & Technology. 2010(07)
[3]TiN/Ti多层膜韧性对摩擦学性能的影响[J]. 龚海飞,邵天敏.  材料工程. 2009(10)
[4]Preparation of TiAlN/ZrN and TiCrN/ZrN multilayers by RF magnetron sputtering[J]. Jong-Kook LEE,G won-Seung YANG.  Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(04)
[5]Si3N4在h-AlN上的晶体化与AlN/Si3N4纳米多层膜的超硬效应[J]. 乌晓燕,孔明,赵文济,李戈扬.  物理学报. 2009(04)
[6]TaN/TiN和NbN/TiN纳米结构多层膜超硬效应及超硬机理研究[J]. 喻利花,董师润,许俊华,李戈扬.  物理学报. 2008(11)
[7]多弧离子镀TiN/Cu纳米复合多层膜致硬机理的探讨[J]. 穆静静,王从曾,马捷,郑国龙.  热加工工艺. 2008(08)
[8]纳米铜-镍多层膜的耐磨性研究[J]. 李振明.  材料开发与应用. 1999(05)
[9]离子镀膜中的弧电流对膜层质量的影响[J]. 吴玉广,陈福砦.  真空科学与技术. 1999(05)
[10]W/SiC纳米多层膜界面微结构研究（英文）[J]. 李戈扬,张流强,吴亮,施晓蓉,李鹏兴.  电子显微学报. 1998(02)

硕士论文
[1]PVD硬质合金涂层刀具切削和摩擦学性能研究[D]. 陈政文.机械科学研究总院 2012
[2]TiAlN薄膜的制备及其性能研究[D]. 夏侯良.西南交通大学 2007



本文编号：3215395