電弧離子鍍沉積TiCx薄膜的結構和性能研究
采用脈沖偏壓電弧離子鍍沉積系統，在W6Mo5Cr4V2高速鋼基體上制備出不同成分的TiCx薄膜。通過(guò)掃描電鏡、X射線(xiàn)衍射、X射線(xiàn)光電子譜及拉曼光譜對薄膜的表面形貌和微觀(guān)結構進(jìn)行分析；采用納米壓痕和摩擦磨損試驗來(lái)表征薄膜的力學(xué)性能。結果表明：所制備的薄膜為富碳TiCx薄膜，富碳成分均以非晶碳形式存在。隨著(zhù)非晶碳組分的增加，薄膜硬度和彈性模量逐漸降低，獲得的最高值分別為36GPa和381GPa，同時(shí)薄膜的摩擦系數在0.2～0.3之間。
TiC薄膜是一種典型的NaCl型的晶體結構，具有高硬度、低摩擦系數、高熱穩定性以及良好的抗腐蝕能力，成為工業(yè)生產(chǎn)上常用的耐磨防護涂層材料之一。近年來(lái)，國內外對TiC薄膜進(jìn)行了工藝參數優(yōu)化，以提高薄膜的硬度、耐磨性以及結合強度。在制備TiC薄膜過(guò)程中，當碳含量較高時(shí)，偏離理想的化學(xué)計量配比會(huì )形成富碳TiCx薄膜，富余的碳主要以非晶碳形式存在，對薄膜的結構和性能產(chǎn)生重要影響。A.A.Voevodin等針對Ti-C二元系統提出了超韌納米復合薄膜，并發(fā)現納米尺度的TiC晶粒彌散分布在體積分數約為30%的非晶碳基體中形成納米復合結構薄膜，獲得最佳的硬度和耐磨性能。同時(shí)在類(lèi)金剛石薄膜摻雜研究中也發(fā)現，在DLC膜中摻入Ti，形成的TiC納米晶，起到強化DLC 薄膜作用。因此研究不同成分下TiCx薄膜的結構和性能成為必要。
目前制備TiCx薄膜的方法主要有磁控濺射、電弧離子鍍、化學(xué)氣相沉積、以及脈沖激光沉積等。其中，電弧離子鍍制備TiCx薄膜時(shí)，多采用C2H2、CH4等氣體作為碳源材料，但工藝的控制和重復性較差，并且在不同源氣體條件下制備的薄膜結構明顯有差異，致使薄膜的性能發(fā)生變化。如果采用石墨靶，通過(guò)精確控制弧靶電流，可避免氣體反應所帶來(lái)的不利影響。本文采用脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)改變分離靶弧流獲得不同成分的TiCx薄膜，研究不同碳含量對薄膜結構和性能的影響。
1、實(shí)驗
實(shí)驗采用自行研制的MMLab-Arc-II型增強磁過(guò)濾脈沖偏壓電弧離子鍍設備，其結構如圖1所示。
圖1 脈沖偏壓電弧離子鍍設備結構示意圖
采用直管增強磁過(guò)濾系統可有效過(guò)濾大顆粒，提高薄膜表面質(zhì)量。沉積室為一水平放置的圓柱狀腔體，兩個(gè)對向平行分布的弧靶位于腔體兩端，分別安裝高純石墨靶和純Ti靶�；w材料為Φ20mm×3mm的高速鋼W6Mo5Cr4V2圓片，將樣品研磨拋光后，依次放置丙酮和乙醇中超聲清洗30min，然后吹干放入真空室中。首先采用機械泵、羅茨泵以及分子泵對真空室進(jìn)行抽氣，當本底真空低于5×10-3 Pa時(shí)，通入氬氣，在高脈沖偏壓的作用下引發(fā)輝光放電，對所有基片進(jìn)行10min的氬離子輝光清洗，以去除基片表面的鈍化膜和其它雜質(zhì)。在薄膜制備過(guò)程中，通入氬氣，保持沉積氣壓為0.5Pa，通過(guò)高壓脈沖點(diǎn)燃陰極靶材形成等離子體，然后在基片負偏壓的作用下加速到達基片表面最終形成膜層。為提高薄膜與基體的結合強度，首先沉積10min的Ti過(guò)渡層，然后保持石墨靶弧流恒定，改變金屬鈦靶弧流，制備出不同成分的TiCx薄膜，沉積時(shí)間為60min，具體沉積參數如表1所示。
表1 TiCx薄膜實(shí)驗參數
用Bruker-D8多功能薄膜X射線(xiàn)衍射儀(XRD)對薄膜進(jìn)行物相分析，所用模式為掠入射，入射角為1°；用VG ESCALAB MK2型X 射線(xiàn)光電子能譜(XPS)儀分析薄膜的元素含量和化學(xué)鍵結構，采用單色化Al靶(1486.6eV)；利用Invia型拉曼譜儀進(jìn)行拉曼光譜測試，激光器為He-Ne氣體激光器，功率為35mW，激光波長(cháng)為632.8nm。用Nano indenter XP型納米壓痕儀來(lái)測量薄膜的硬度和彈性模量，儀器采用連續剛度測量法，選用Berkovich金剛石壓頭；用UMT-2型多功能微摩擦磨損試驗機表征薄膜的摩擦學(xué)性能，采用往復式摩擦模式，摩擦副為Φ3.3mm 的GCr15鋼球，加載載荷為1N，滑動(dòng)時(shí)間5min。
3、結論
利用脈沖偏壓電弧離子鍍沉積系統在高速鋼基體上成功制備出不同成分的富碳TiCx薄膜，實(shí)驗結果表明薄膜中碳含量對薄膜的結構和性能具有重要影響。隨著(zhù)碳含量的增加，TiCx薄膜的結晶度逐漸降低，同時(shí)薄膜的硬度和彈性模量逐漸降低。薄膜的摩擦系數在0.2～0.3之間。
