雙靶共濺射TiAl系高溫耐磨薄膜制備與研究

　　在同一次雙靶共濺射過(guò)程中，通過(guò)改變基體相對于靶材的位置制備了不同化學(xué)成份TiAl系金屬間化合物薄膜。采用EDS、XRD、SEM、AFM等手段對薄膜的成分、物相結構和表面形貌進(jìn)行了表征，并對薄膜的高溫摩擦行為進(jìn)行了分析研究。實(shí)驗結果表明：薄膜的化學(xué)成分、物相結構、表面形貌都隨著(zhù)濺射位置的改變而發(fā)生變化，500℃以下時(shí)位于雙靶中間位置的薄膜具有體系中最佳的性能。

　　Ti-Al系金屬間化合物薄膜是一類(lèi)典型的硬質(zhì)薄膜，因具有很好的抗氧化性和高溫耐磨性而受到廣泛的關(guān)注,目前這類(lèi)薄膜的制備多采用復合靶濺射的方法。因為T(mén)i-Al系金屬間化合物種類(lèi)較多且物相性能各異,而采用復合靶制備的薄膜成分較單一,所以欲獲得大范圍成分變化的薄膜就得更換靶材多次濺射,非但增加了薄膜制備的成本，而且給系統性的研究這類(lèi)薄膜帶來(lái)一定的困難。本實(shí)驗采用純金屬鋁和鈦(純度均為99.99%)作為雙靶，通過(guò)改變基體相對于靶材的濺射位置，在同一次濺射過(guò)程中，制備了一系列大范圍成份變化的Ti-Al系金屬間化合物薄膜。通過(guò)對不同位置制備薄膜的物相結構、形貌、以及高溫摩擦行為差異的分析，探索其減摩耐磨機理。

1、試樣制備與試驗方法

　　1.1、基體預處理

　　基體材料選擇0Cr25Ni20耐熱不銹鋼。將塊體切割成20mm×20mm×8mm樣塊，除油，拋光打磨至鏡面(粗糙度Ra0.3μm)后用丙酮清洗,在真空干燥箱中烘干待用。

　　1.2、薄膜制備

　　實(shí)驗設備采用PSII型雙放電腔微波ECR等離子體增加沉積儀，濺射靶材選用純度均為99.99%且大小尺寸相同的純金屬Al靶和Ti靶，雙靶之間相對呈90°放置，雙靶與試樣臺之間的角度均為45°，工作氣體為純度≥99.99%的氬氣，各基體按圖1放置。

圖1 濺射位置示意圖

　　如圖1所示，為系統地研究不同濺射位置薄膜結構、形貌以及性能的差異，將試樣臺平均劃分為6個(gè)區域，分別將最靠近鈦靶和鋁靶的位置標為P1和P6。將12個(gè)試樣分別沿試樣臺中心線(xiàn)按2個(gè)/區域的辦法平均放置，并從S1到S12進(jìn)行標號，其中最靠近鈦靶的試樣標為S1而最靠近鋁靶的試樣標為S12。濺射在室溫下進(jìn)行，雙靶均采用水冷，對所有試樣進(jìn)行100W，20min的反濺清洗后送入主濺射倉中濺射，濺射時(shí)本底真空度抽至高于5×10-4Pa，濺射工作氣壓為0.13Pa，雙靶功率均為300W，濺射時(shí)間為2h，濺射過(guò)程中，試樣臺不旋轉。

　　由于在同一次濺射過(guò)程中，各位置其它濺射參數完全相同，薄膜厚度對其性能結構的影響大致相當，因此可以在忽略厚度等因素影響的前提下，對Ti-Al基金屬間化合物薄膜的物相組成、表面形貌進(jìn)行分析，并對其摩擦特性進(jìn)行評價(jià)。

　　1.3、薄膜表征與性能檢測

　　分別采用JXA-840A型SEM(附帶EDS)，D/max/2400型XRD，FUB/SX型AFM以及DCMAX型納米硬度計等設備對薄膜的化學(xué)成分、物相結構，表面和側向形貌及磨痕形貌等進(jìn)行表征；使用UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機對薄膜的高溫摩擦磨損性能進(jìn)行評價(jià)。

3、結論

　　(1)在同一次濺射過(guò)程中制備TiAl系金屬間化合物薄膜的化學(xué)成分隨濺射位置的改變而變化；

　　(2)隨著(zhù)熱處理溫度的變化，不同位置制備的薄膜分別出現了α-Ti，無(wú)序固溶體(TiAl)，有序相γ-TiAl和中間相Al3Ti等多種不同的組織結構；

　　(3)中間位置制備的薄膜擁有體系中最佳的表面形貌、硬度及粗糙度；

　　(4)溫度在500℃以下時(shí)，中間位置制備的薄膜擁有體系中最佳的耐磨減摩性能；

　　(5)當溫度達到600℃時(shí)，整個(gè)體系的薄膜耐磨減摩性能因氧化而下降。