Изучение методов и свойств тонких пленок Tialn, изготовленных по технологии среднечастотного магнетронного распыления

Использование IF-неуравновешенного магнетронного распыления ионного покрытия для изготовления тонкой пленки TiAlN на цементированной карбидной подложке YG6. XRD, EDS, стереомикроскоп, тестер микротвердости и многофункциональный тестер свойств поверхности были использованы для изучения структуры и свойств композитов. Результаты показывают, что когда целевая мощность низкая, слой пленки существует в виде TiN и TiC. Предпочтительная поверхность ориентации (111) и микротвердость TiN связаны с напряжением смещения. Когда целевая мощность высокая, пленка в основном содержит фазы Ti3AlN и AlN. Фаза Ti3AlN предпочтительно ориентирована вдоль плоскости (220), структура пленки плотная и однородная, а отношение атомов N к атомам металла близко к 1: 1, толщина пленки составляет 1,93 мкм, микротвердость составляет 3145 HV и сила сцепления равна 85N.

С развитием материаловедения применение тонкопленочных материалов становится все более обширным. TiAlN-пленка - это новый тип многоэлементного тонкопленочного покрытия, который был успешно разработан в последние годы. Он обладает такими превосходными свойствами, как высокая твердость, высокая температура окисления, хорошая термическая стабильность, сильная адгезия, низкий коэффициент трения, низкая теплопроводность и т. Д. Он широко используется в инструментальной промышленности, особенно для эффективной резки различных труднодоступных машин материалы. Кроме того, TiAlN, как ожидается, частично или полностью заменит покрытия TiN. В этой работе тонкие пленки TiAlN были получены на твердом сплаве YG6 с помощью технологии среднечастотного магнетронного распыления. Фазовая структура, морфология поверхности и трещины, состав и основные свойства тонких пленок измерялись с помощью рентгеновских лучей, SEM, EDS, стереомикроскопа, тестера микротвердости и анализатора царапин.

1. Испытательные материалы и методы

1.1. Испытательные материалы

В качестве образца субстрата выбирают цементированный карбид YG6, в качестве катодных мишеней используют чистую мишень Ti и цель Al (чистота 99,99%). Рабочий газ представляет собой аргон (чистота> 99,999%), а реакционный газ - азот (чистота> 99,999%).

Фазовую структуру пленки анализируют с помощью рентгеновского дифракционного анализатора DX-1000, поверхность пленки наблюдается с помощью сканирующего зеркала S-3400N, твердость пленки проверяется цифровым тестером микротвердости HVS-1000, а пленка основанная на склеивании сила пленки тестируется прибором MFT-4000.

1.2. Получение TiAlN-пленок

Образцы субстрата очищают в ультразвуковой машине для удаления смазочных, пылевых и оксидных пленок, а затем сушат после дегидратации спиртом. Нагнетание вакуума до 6,7 × 10-3 Па и нагревание до 500 ° C. Затем начните делать покрытия после очистки подложки аргоном высокого давления 1000 В. Во-первых, отложите слой перехода TiN. Затем осаждение и подготовка пленки TiAlN с парциальным давлением азота составляют 0,3 × 10-1 Па. В таблице 1 показаны параметры процесса осаждения для получения тонких пленок TiAlN.

Таблица 1. Параметры осаждения пленки TiAlN

2. Заключение

Тонкая пленка TiAlN была успешно приготовлена на основе цементированного карбида методом среднечастотного магнетронного распыления, проанализирована его фазовая структура, морфология и основные свойства. Выводы заключаются в следующем:

(1) Результаты XRD-анализа показывают, что пленка в основном существует в виде TiN и TiC при низкой мощности мишени Al, а предпочтительной плоскостью ориентации TiN является (111). Фаза TiC вызвана частичной заменой атомов C в субстрате для N атомов в TiN. Пленочный слой в основном присутствует в виде Ti3AlN и AlN при высокой мощности мишени Al, фаза Ti3AlN предпочтительно ориентирована вдоль плоскости кристалла (220), фаза AlN предпочтительно ориентирована вдоль (002) плоскости кристалла, а пики две фазы имеют разную степень уширения и сдвига. Это связано главным образом с искажениями решетки, вызванными частичной заменой атомов Al в AiN атомами Ti.

(2) Результаты анализа морфологии трещины показывают, что пленка плотно связана с подложкой, структура пленки плотная и однородная, и существует четкий интерфейс с матричной фазой. По мере увеличения мощности мишени Al увеличивается количество частиц и энергия распыления, поэтому скорость осаждения увеличивается, толщина пленки увеличивается, а толщина пленки может достигать 1,93 мкм.

(3) Результаты анализа состава поверхности EDS показывают, что с увеличением мощности мишени Al кристалличность пленки увеличивается, содержание Al в слое пленки увеличивается, а содержание Ti уменьшается. Основным компонентом слоя пленки является нитрид металла, отношение атомов N к атомам металла близко к 1: 1.

(4) Тест на микротвердость показал, что при низкой мощности мишени Al микротвердость пленки увеличивается сначала, а затем уменьшается с увеличением отрицательного смещения субстрата, а микротвердость достигает 2391 HV. При высокой мощности мишени Al микротвердость пленки может достигать 3145 HV, что в основном связано с искажением решетки, вызванным образованием твердой фазы Ti3AlN и атомами Ti, замещающими атомы Al в AlN. Испытание силы связывания показывает, что сила сцепления может достигать 85 Н, поскольку образование твердой фазы переходного слоя на TiN и Ti3AlN и применение импульсного смещения на основе постоянного тока улучшают зерно и уменьшают напряжение ламинирования пленки для улучшения мембраны .