PVD法制备（Ti，Al）N薄膜的热稳定性研究

发布时间：2017-10-16 00:10

  本文关键词：PVD法制备（Ti，，Al）N薄膜的热稳定性研究

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【摘要】：以空心阴极离子束辅助多弧离子镀沉积技术,在W6Mo5Cr4V2高速钢表面沉积了(Ti,Al)N和(Ti,Cr,Al)N薄膜;采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(CLSM)分别检测和观察了膜层的物相及表面形貌,通过微纳米力学测试系统(UNMT-1 CETR)对膜层的摩擦系数、硬度、膜-基结合力和膜层表面三维形貌进行了表征;探讨了实验条件下的膜层在不同温度不同氛围下加热处理后的热稳定规律,以及就Cr元素的添加对(Ti,Al)N膜层结构和性能的影响进行了阐述。结果表明,(Ti,Al)N膜层主要由Ti1-xAlxN和Al Ti3N两相构成,膜层表面平整。“5-5”靶制得的膜层主要力学性能分别为:硬度值34.19Gpa、摩擦系数0.5573,膜基结合力37.5N;若在沉积靶材中添加Cr元素,由于形成了由Cr替代立方结构Ti-Al-N中的Ti或A1原子的置换固溶体,膜层硬度值达到39.31Gpa、摩擦系数0.5173,膜基结合力为41.2N,膜层的形貌和力学性能得到一定改善。“5-5”靶制得的(Ti,Al)N膜层在保护气氛条件下加热后,相组成基本没有发生变化,只是Ti1-xAlxN相的(220)衍射峰强度有所增强,峰宽变窄。其组织受温度影响略有长大,表面粗糙度(0.3749)和硬度值(28.23GPa)变化并不明显,在1200℃时仍能保持良好的热稳定性;而空气条件下加热的膜层当温度大于800℃时,相组成、表面粗糙度及硬度值均发生了显著变化,硬度值下降至12.27Gpa,粗糙度为Ra1.8245。900℃加热后膜层表面开裂脱落,基体被严重氧化。增加靶材中Al含量为“3-7”靶镀制时,所得膜层经空气中700℃和800℃加热后,膜层中物相组成几乎没有发生变化,只是Ti1-xAlxN的衍射峰位略有偏移。当在900℃空气中加热后,膜层的物相组成完全改变,出现了基体的氧化物,膜层开裂失效,硬度值降至13.85Gpa。(Ti,Cr,Al)N膜层在空气中加热至1000℃后表面才开裂,比(Ti,Al)N膜层的开裂温度提高了约100℃。主要源于Cr元素提高了膜层中贫Al区的抗氧化性能以及形成(Cr,Al)2O3阻止氧向内扩散,使得膜层抗氧化能力得到提高。
【关键词】：离子束辅助沉积(Ti Al)N膜(Ti Cr Al)N膜热稳定性
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-20
• 1.1 引言8
• 1.2 Ti-Al-N膜8-10
• 1.3 薄膜的热稳定性10-12
• 1.3.1 回复11
• 1.3.2 再结晶11
• 1.3.3 固态相变11-12
• 1.4 几种氮化物薄膜的热稳定性12-18
• 1.4.1 TiN薄膜的热稳定性12
• 1.4.2 TiAlN薄膜的热稳定性12-13
• 1.4.3 TiCrN薄膜的热稳定性13-14
• 1.4.4 CrAlN薄膜的热稳定性14-16
• 1.4.5 Ti-Cr-Al-N薄膜的热稳定性16-17
• 1.4.6 Ti-Al-Si-N薄膜的热稳定性17-18
• 1.5 添加Cr对Ti-Al-N膜层结构和热性能的作用18
• 1.6 选题意义、主要研究内容及路线18-19
• 1.6.1 选题意义18
• 1.6.2 主要研究内容及路线18-19
• 1.7 本章小结19-20
• 第二章 (Ti,Al)N膜层的制备与表征20-26
• 2.1 膜层制备实验设备20-21
• 2.2 薄膜制备21-23
• 2.2.1 制备原理21
• 2.2.2 基体材料的选择与预处理21
• 2.2.3 薄膜制备工艺21-22
• 2.2.4 薄膜加热处理工艺22
• 2.2.5 薄膜热分析实验22-23
• 2.3 膜层表征23-25
• 2.3.1 薄膜的相结构分析23
• 2.3.2 膜层微观形貌检测23
• 2.3.3 膜层纳米压痕硬度测定23-24
• 2.3.4 膜层摩擦性能测定24
• 2.3.5 膜层与基体结合力测定24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 (Ti,Al)N膜层的热稳定性分析26-37
• 3.1 “5-5”靶(Ti,Al)N膜的热稳定性26-34
• 3.1.1 膜层物相及热分析26-30
• 3.1.1.1 保护气氛下膜层物相及热分析26-28
• 3.1.1.2 空气条件下膜层物相及热分析28-30
• 3.1.2 膜层表面形貌分析30-33
• 3.1.3 高温加热后膜层硬度变化分析33-34
• 3.2 “3-7”靶材(Ti,Al) N膜的抗氧化性能34-36
• 3.2.1 空气气氛下加热处理后膜层物相变化分析34
• 3.2.2 表面形貌观察34-35
• 3.2.3 膜层硬度变化分析35-36
• 3.2.4 靶材比例对(Ti,Al)N膜层抗氧化性的影响36
• 3.3 本章小结36-37
• 第四章 (Ti,Cr,Al)N膜层的结构、性能及热稳定37-46
• 4.1 (Ti,Cr,Al)N膜层的组成结构与性能37-42
• 4.1.1 相组成分析37
• 4.1.2 表面形貌分析37-39
• 4.1.3 硬度分析39
• 4.1.4 摩擦性能分析39-40
• 4.1.5 膜基结合力分析40-42
• 4.2 (Ti,Cr,Al)N膜层的热性能42-45
• 4.2.1 (Ti,Cr,Al)N薄膜的物相结构42-43
• 4.2.2 表面形貌观察43-44
• 4.2.3 膜层表面硬度变化44
• 4.2.4 Cr元素对(Ti,Al)N膜层耐高温的影响44-45
• 4.3 本章小结45-46
• 第五章 结论46-47
• 致谢47-48
• 参考文献48-54
• 作者简介54
• 攻读硕士学位期间研究成果54

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