磁控溅射纳米硬质膜工艺及力学性能研究

发布时间：2017-09-09 10:02

  本文关键词：磁控溅射纳米硬质膜工艺及力学性能研究

  更多相关文章： TiN薄膜 TiAlN薄膜 CrN薄膜 CrAlN薄膜 TiAlN/CrAlN周期多层膜 硬度

【摘要】：Ti N、Ti Al N、Cr N、Cr Al N、Ti Al N/Cr Al N等过渡金属氮化物薄膜是应用广泛的硬质薄膜材料,由于其具有硬度高、耐磨性好、抗氧化能力强等优异的性能,在刀具、装饰材料、模具、生物、航空等方面有大量的应用。先前的研究大多数都集中对某一种膜进行研究,得出的规律比较单一,因此,本论文系统地研究了Ti N、Ti Al N、Cr N、Cr Al N、Ti Al N/Cr Al N五种薄膜的工艺、结构与性能之间的关系以及探讨了单层膜与多层膜力学演变规律与机理,为高性能硬质膜的研发提供基础数据与理论。本文采用磁控溅射法制备了Ti N、Ti Al N、Cr N、Cr Al N、Ti Al N/Cr Al N五种薄膜,系统地研究了负偏压、溅射电流、N2流量、Ar流量等工艺参数对Ti N与Cr N薄膜表面形貌、微观结构及力学性能的影响,研究了Al靶功率对Ti Al N与Cr Al N膜表面形貌、微观结构及力学性能的影响,研究了调制周期对Ti Al N/Cr Al N周期多层膜微观结构与力学性能的影响。分别使用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和纳米压痕仪等设备对薄膜的表面形貌、成分、微观结构、硬度进行表征。通过激光共聚焦显微镜观看到Ti N、Ti Al N、Cr N、Cr Al N薄膜最小表面粗糙度分别为:7nm、17nm、3nm、5nm。利用纳米压痕仪检测得到Ti N、Ti Al N、Cr N、Cr Al N、Ti Al N/Cr Al N薄膜最高硬度分别为21.27GPa、16.81GPa、23.50GPa、24.01GPa、32.51GPa。对Ti Al N/Cr Al N周期多层薄膜的硬化原因进行了探讨,认为多层膜在晶粒能容纳位错的条件下的硬化原因是霍尔佩奇效应。
【关键词】：TiN薄膜 TiAlN薄膜 CrN薄膜 CrAlN薄膜 TiAlN/CrAlN周期多层膜 硬度
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.44
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 硬质膜概述12-14
• 1.1.1 过渡金属氮化物硬质膜的分类12-13
• 1.1.2 过渡金属氮化物硬质膜的应用13-14
• 1.2 国内外过渡金属氮化物硬质膜技术研究进展14-15
• 1.2.1 国外过渡金属氮化物硬质膜技术研究进展14-15
• 1.2.2 国内过渡金属氮化物硬质膜技术研究进展15
• 1.3 过渡金属氮化物硬质膜研究进展15-19
• 1.3.1 二元单层膜15-16
• 1.3.2 多元单层膜16-17
• 1.3.3 多层膜17-19
• 1.4 过渡金属氮化物硬质膜的制备方法19-20
• 1.4.1 化学气相沉积（CVD）方法19
• 1.4.2 物理气相沉积（PVD）方法19-20
• 1.5 本论文研究的内容、意义20-21
• 1.5.1 研究内容20-21
• 1.5.2 研究意义21
• 1.6 本章小结21-22
• 第2章 实验原理与方案22-32
• 2.1 实验原理22-23
• 2.2.1 磁控溅射原理22-23
• 2.2.2 反应磁控溅射原理23
• 2.2 实验设备23-24
• 2.3 基片的预处理24-25
• 2.4 薄膜制备流程25
• 2.5 薄膜性能表征25-27
• 2.5.1 XRD物相分析25
• 2.5.2 表面形貌分析25-26
• 2.5.3 纳米硬度检测26-27
• 2.5.4 成分检测27
• 2.6 实验方案27-31
• 2.6.1 基片的选择27-28
• 2.6.2 TiN基准工艺的摸索28-29
• 2.6.3 TiN与Ti Al N薄膜的制备29-30
• 2.6.4 CrN与CrAlN薄膜的制备30-31
• 2.6.5 TiAlN/CrAlN周期多层膜的制备31
• 2.7 本章小结31-32
• 第3章 TiN与Ti Al N薄膜结果分析32-46
• 3.1 负偏压对TiN薄膜结构与力学性能的影响32-34
• 3.1.1 负偏压对TiN薄膜表面形貌的影响32-33
• 3.1.2 负偏压对TiN薄膜物相的影响33-34
• 3.1.3 负偏压对TiN薄膜硬度的影响34
• 3.2 溅射电流对TiN薄膜结构与力学性能的影响34-37
• 3.2.1 溅射电流对TiN薄膜表面形貌的影响34-35
• 3.2.2 溅射电流对TiN薄膜物相的影响35-36
• 3.2.3 溅射电流对TiN薄膜硬度的影响36-37
• 3.3 N_2流量对Ti N薄膜结构与力学性能的影响37-39
• 3.3.1 N_2流量对TiN薄膜表面形貌的影响37-38
• 3.3.2 N_2流量对TiN薄膜物相的影响38-39
• 3.3.3 N_2流量对TiN薄膜硬度的影响39
• 3.4 Ar流量对TiN薄膜结构与力学性能的影响39-42
• 3.4.1Ar流量对Ti N薄膜表面形貌的影响39-41
• 3.4.2 Ar流量对TiN薄膜物相的影响41
• 3.4.3 Ar流量对TiN薄膜硬度的影响41-42
• 3.5 Al靶功率对TiAlN薄膜结构与力学性能的影响42-45
• 3.5.1 Al靶功率对TiAlN薄膜表面形貌的影响42-43
• 3.5.2 Al靶功率对TiAlN薄膜物相的影响43-44
• 3.5.3 Al靶功率对TiAlN薄膜硬度的影响44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 CrN与CrAlN薄膜结果分析46-60
• 4.1 负偏压对CrN薄膜结构与力学性能的影响46-48
• 4.1.1 负偏压对CrN薄膜表面形貌的影响46-47
• 4.1.2 负偏压对CrN薄膜物相的影响47
• 4.1.3 负偏压对CrN薄膜硬度的影响47-48
• 4.2 溅射电流对CrN薄膜结构与力学性能的影响48-51
• 4.2.1 溅射电流对CrN薄膜表面形貌的影响48-49
• 4.2.2 溅射电流对CrN薄膜物相的影响49-50
• 4.2.3 溅射电流对CrN薄膜硬度的影响50-51
• 4.3 N_2流量对CrN薄膜结构与力学性能的影响51-53
• 4.3.1 N_2流量对CrN薄膜表面形貌的影响51-52
• 4.3.2 N_2流量对CrN薄膜物相的影响52
• 4.3.3 N_2流量对CrN薄膜硬度的影响52-53
• 4.4 Ar流量对CrN薄膜结构与力学性能的影响53-56
• 4.4.1 Ar流量对CrN薄膜表面形貌的影响53-54
• 4.4.2 Ar流量对CrN薄膜物相的影响54-55
• 4.4.3 Ar流量对CrN薄膜硬度的影响55-56
• 4.5Al靶功率对CrAlN薄膜结构与力学性能的影响56-59
• 4.5.1 Al靶功率对CrAlN薄膜表面形貌的影响56-57
• 4.5.2 Al靶功率对CrAlN薄膜物相的影响57-58
• 4.5.3 Al靶功率对CrAlN薄膜硬度的影响58-59
• 4.6 本章小结59-60
• 第5章 TiAlN/CrAlN纳米周期多层膜膜结果分析60-65
• 5.1 调制周期对TiAlN/CrAlN纳米周期多层膜性能的影响60-64
• 5.1.1 调制周期对薄膜物相的影响60-62
• 5.1.2 调制周期对薄膜硬度的影响62-64
• 5.2 本章小结64-65
• 结论65-67
• 参考文献67-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果73-74
• 致谢74-75

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本文编号：819775