直流偏壓對CrN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響*

李碧晗，詹 華，吳佳億，劉繼彬，汪瑞軍

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100083；2.土壤植物機器系統(tǒng)技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083；3.北京金輪坤天特種機械有限公司，北京 100083)

由于現(xiàn)代制造業(yè)飛速發(fā)展，現(xiàn)代工藝對各種機械零部件的性能要求不斷提高，傳統(tǒng)零部件表面處理難以滿足越來越嚴(yán)苛的服役條件，制約了制造業(yè)的發(fā)展，因此人們在工業(yè)零部件上制備硬質(zhì)薄膜以提高其性能，延長其使用壽命[1-3]。CrN薄膜作為典型的硬質(zhì)薄膜，具有較高的硬度和良好的耐蝕性、耐磨性以及熱穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于機械加工、裝飾美化以及防護(hù)等領(lǐng)域，以提高機械部件的壽命和性能[4-7]。許多研究者通過物理氣相沉積，如反應(yīng)磁控濺射、熱絲增強等離子體磁控濺射以及電弧離子鍍等方法來研究CrN薄膜。郭金保等[8]采用反應(yīng)磁控濺射法在不同氮氣含量下制備了CrNx薄膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)獨饬髁繛?0 cm3/min時,涂層結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)性能、耐磨性能和耐腐蝕性能最優(yōu)；張鑫等[9]采用熱絲增強等離子體磁控濺射技術(shù)在不同氮氣流量下制備了CrNx薄膜，通過對材料韌性的綜合評價發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)獨饬髁繛?5 mL/min時，制備的薄膜以Cr2N相為主，且韌性最佳；李球福等[10]采用陰極電弧離子鍍技術(shù)沉積CrN/DLC復(fù)合薄膜，研究其摩擦學(xué)性能。

電弧離子鍍作為工業(yè)應(yīng)用最多的真空鍍膜技術(shù)之一，其具有離子能量高、沉積速率高、膜基結(jié)合力強、繞鍍性好等優(yōu)點，但大顆粒液滴沉積是獲得表面光滑且具有高性能薄膜的主要障礙，偏壓、沉積溫度以及氮氣分壓等參數(shù)均可以改變薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌和硬度等性能[11-12]。由于偏壓對離子遷移率和離子轟擊效應(yīng)的影響較大，因此偏壓對薄膜表面形貌和力學(xué)性能至關(guān)重要。

本文采用電弧離子鍍技術(shù)，在不同直流偏壓下制備CrN薄膜，研究了直流偏壓對薄膜的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、沉積速率、硬度以及結(jié)合力的影響。

1 試驗過程

1.1 薄膜制備

試驗采用真空電弧離子鍍設(shè)備制備CrN薄膜，選用規(guī)格為20 mm×20 mm×5 mm的高速鋼(HSS)作為試驗基體材料。在制備薄膜前，將所有試樣依次放入堿性清潔溶液和去離子水中進(jìn)行超聲沖洗，清洗時間為10 min，并用壓縮空氣吹干試樣表面，最后將試樣放置在鍍膜設(shè)備中。試驗選用純度為99.9%、規(guī)格為φ100 mm×20 mm的圓形Cr電弧靶作為陰極靶材，選用純度為99.99%的Ar作為工作氣體，純度為99.9%的N2作為反應(yīng)氣體。在沉積薄膜過程中，設(shè)置弧電流為80 A，工作氣壓為2 Pa，沉積時間為30 min，薄膜制備具體工藝參數(shù)見表1。

表1 CrN薄膜沉積工藝參數(shù)

1.2 薄膜表征

采用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜的表面形貌；利用X射線衍射儀測定薄膜中的物相組成；采用BC-2型球坑儀測試薄膜厚度；采用MH-5D型顯微硬度計，以25 g載荷測試薄膜表面的顯微硬度，加載時間為10 s。每個試樣測試10個點，并取平均值作為薄膜的顯微硬度；按照ASTM C1624—2005標(biāo)準(zhǔn)，采用MFT-4000型多功能材料表面性能試驗儀，通過線性加載的劃痕試驗測試薄膜的結(jié)合力，加載速度為100 N/min，終止載荷為100 N，劃痕長度為5 mm，每個樣品測試3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)

圖1所示為不同直流偏壓下沉積CrN薄膜表面的SEM圖。由圖1可見，4種不同沉積條件下的CrN薄膜表面均出現(xiàn)了大量大顆粒缺陷，如液滴、凹坑等。當(dāng)直流偏壓為-60 V時，薄膜表面大顆粒數(shù)量和尺寸均較大；當(dāng)直流偏壓升高至-80 V時，薄膜表面的大顆粒數(shù)量明顯減少，尺寸明顯變小，提高了薄膜表面的致密性；當(dāng)直流偏壓幅值繼續(xù)增加時，薄膜表面大顆粒數(shù)量逐漸增多，尺寸也逐漸變大。在直流偏壓幅值增加的過程中，薄膜表面大顆粒的數(shù)量和尺寸呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

圖1中薄膜表面存在的大顆粒缺陷是因為電弧蒸發(fā)過程中，弧斑在Cr電弧靶表面運動不穩(wěn)定，使從靶表面蒸發(fā)飛濺出的熔滴凝固后沉積在薄膜表面，或從薄膜表面脫落，最終在薄膜表面形成液滴、凹坑等大顆粒缺陷[13]。當(dāng)直流偏壓為-60 V時，離子獲得的能量較低，到達(dá)基材表面時速度較低，轟擊動能很小，導(dǎo)致大量液滴沉積在薄膜表面。當(dāng)直流偏壓增加到-80 V時，到達(dá)基材表面的離子的動能和速度增大，離子的轟擊效應(yīng)增強，轟擊掉薄膜表面結(jié)合較弱的液滴，提高了薄膜的致密性。但當(dāng)直流偏壓幅值繼續(xù)增加時，雖然離子獲得了更大的能量，但高能量離子的轟擊會引起反濺射現(xiàn)象，導(dǎo)致薄膜表面留下凹坑，損傷薄膜。

圖2所示為不同直流偏壓下沉積CrN薄膜的XRD圖譜。從圖2中可以看出，4種不同沉積條件下的CrN薄膜晶體結(jié)構(gòu)基本相同，均由CrN相組成。薄膜均呈現(xiàn)面心立方結(jié)構(gòu)，衍射峰取向基本相同，均為CrN(111)、(200)、(220)、(311)，且均呈現(xiàn)(111)方向擇優(yōu)生長。

2.2 薄膜的沉積速率

圖3所示為不同直流偏壓下CrN薄膜沉積速率的變化趨勢。由圖3中可以看出，當(dāng)直流偏壓為-60 V時，薄膜沉積速率為4.16 μm/h；當(dāng)直流偏壓為-80 V時，薄膜沉積速率達(dá)到最大，為4.86 μm/h，之后隨著直流偏壓幅值的增加，沉積速率逐漸減小。在直流偏壓幅值增加的過程中，薄膜沉積速率呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。

當(dāng)直流偏壓為-60 V時，離子在入射基材表面過程中得到的能量較低，因此被吸引到基材表面的離子速度低、能量小、離子遷移率低，導(dǎo)致薄膜沉積速率較低；隨著直流偏壓幅值的增加，使到達(dá)基材表面的離子速度和能量增大，提高了離子遷移率，從而促進(jìn)薄膜生長，加快了薄膜的沉積速率；但當(dāng)直流偏壓幅值進(jìn)一步增大時，離子的轟擊濺射作用也會增強，將已經(jīng)沉積在基材上的薄膜粒子轟擊掉落，產(chǎn)生反濺射效應(yīng)，從而降低薄膜的沉積速率。

2.3 薄膜的硬度

圖4所示為在不同直流偏壓下沉積的CrN薄膜硬度的變化趨勢。由圖4中可以看出，當(dāng)直流偏壓為-60 V時，薄膜硬度為1 241.6 HV0.025；當(dāng)直流偏壓為-80 V時，薄膜硬度達(dá)到最大，為1 792.9 HV0.025，之后隨著直流偏壓幅值的增加，硬度逐漸減小。在直流偏壓幅值增加的過程中，薄膜硬度呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。

當(dāng)直流偏壓為-60 V時，離子獲得的能量較小，不能在基材上形成結(jié)構(gòu)致密的薄膜，導(dǎo)致薄膜硬度較低；隨著直流偏壓幅值的增加，到達(dá)基材表面的離子能量增加，使離子對薄膜的轟擊作用增強，增加了薄膜的致密性，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，薄膜越致密，晶粒尺寸越細(xì)小，晶界的增多阻礙了位錯運動的發(fā)生[14]，從而提高了薄膜硬度；但當(dāng)直流偏壓幅值過高時，獲得較高能量的離子不斷轟擊薄膜表面，高能量的轟擊會使生長中的薄膜充滿缺陷，導(dǎo)致薄膜硬度降低。

2.4 薄膜的結(jié)合力

圖5所示為在不同直流偏壓下沉積的CrN薄膜結(jié)合力的變化趨勢。由圖5中可以看出，當(dāng)直流偏壓為-60 V時，薄膜結(jié)合力為59.11 N；當(dāng)直流偏壓為-80 V時，薄膜結(jié)合力達(dá)到最大，為78.61 N，之后隨著直流偏壓幅值的增加，薄膜結(jié)合力逐漸減小。在直流偏壓幅值增加的過程中，薄膜結(jié)合力呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。

當(dāng)直流偏壓為-60 V時，到達(dá)基材表面的離子能量低、速度小，使沉積的薄膜無法與基材緊密結(jié)合，從而導(dǎo)致薄膜結(jié)合力較低；隨著直流偏壓幅值增大，離子獲得能量增加，使其對基材表面轟擊作用增強，一方面將與基材結(jié)合不牢的膜層粒子轟擊掉，另一方面通過轟擊進(jìn)行二次結(jié)合，有利于薄膜結(jié)合力增加；當(dāng)直流偏壓幅值過高時，雖然離子獲得更多能量，轟擊作用更強，但會增加薄膜內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜結(jié)合力降低。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)利用電弧離子鍍技術(shù)在不同直流偏壓下制備CrN薄膜，隨著直流偏壓幅值增大，CrN薄膜表面大顆粒數(shù)量和尺寸呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

2)隨著直流偏壓幅值增大，薄膜的沉積速率、硬度以及結(jié)合力均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

3)當(dāng)直流偏壓為-80 V時，薄膜表面的大顆粒數(shù)量和尺寸最小，薄膜沉積速率達(dá)到最大(4.86 μm/h)，硬度達(dá)到最大(1 792.9 HV0.025)，結(jié)合力達(dá)到最大(78.61 N)。