偏壓對磁控濺射制備N(xiāo)i摻雜TiB2基涂層結構及力學(xué)性能的影響
采用雙靶非反應磁控濺射，通過(guò)改變基底偏壓，制備了一系列Ni摻雜TiB2基的涂層。通過(guò)X射線(xiàn)能譜儀確定其成分，利用X射線(xiàn)衍射、掃描電鏡對涂層的結構進(jìn)行分析，并通過(guò)納米壓痕、維氏壓痕、劃痕以及摩擦磨損分別對涂層的硬度、模量、斷裂韌性、膜基結合力和摩擦學(xué)性能進(jìn)行了表征。結果表明：此工藝下制備的TiB2-Ni涂層中均存在六方相的TiB2結構，并且生長(cháng)結構非常致密，無(wú)明顯的柱狀生長(cháng)結構，表面粗糙度低；硬度均大于40GPa；涂層均具有較好的斷裂韌性；且隨著(zhù)偏壓增大斷裂韌性和結合力都有所提高；同時(shí)所制備涂層摩擦系數均在0.5～0.6，磨損率在同一數量級。
磁控濺射制備的TiB2基涂層具有高硬度和高的化學(xué)穩定性，因而在多方面得到了廣泛的應用，可用于保護切削刀具、模具以及航空航天零器件表面等。TiB2基涂層雖然具有高硬度，但高硬度的材料在發(fā)生變形時(shí)通常具有脆性而容易導致失效，低韌性限制了TiB2基涂層在工程方面的應用，提高其韌性成為了一個(gè)非常重要的研究方向。而一般情況下，韌性的增長(cháng)容易導致硬度的降低，很難做到兩者兼顧。
金屬和陶瓷材料在很多方面都有著(zhù)廣泛的應用，金屬的主要特點(diǎn)是具有高韌性，陶瓷硬度很高但韌性較低。近年來(lái)，將韌性材料摻入陶瓷基涂層制備出的陶瓷/金屬納米復合涂層得到了廣泛的研究。一些研究將Ni或Ti摻雜到許多碳化物和氮化物的涂層中，如Ni摻雜的TiC，TiN 和CrN，Ti摻雜的SiN等，金屬的摻雜將導致硬度和韌性的變化。Akbari等研究發(fā)現了硬度大于25GPa且具有良好韌性的Ti-Ni-N涂層。
基于上述研究，本文研究了不同金屬摻雜對于TiB2抗裂紋性能的影響，發(fā)現Ni摻雜對于其抗裂性能的提高是最明顯的，但是在以前的研究中，發(fā)現雖然有提高，但是還存在很明顯的柱狀生長(cháng)，說(shuō)明涂層的性能還有很大的改進(jìn)空間，基于此，本文采用中頻和射頻電源的雙靶磁控濺射設備通過(guò)改變基片偏壓制備了不同偏壓的TiB2-Ni涂層。對所制備的涂層進(jìn)行了結構和性能的研究，探討了偏壓對其生長(cháng)結構，以及硬度、斷裂韌性、膜基結合力和摩擦學(xué)等方面的性能。
1、實(shí)驗
1.1、原料及制備
涂層的制備采用MS450型高真空雙靶磁控濺射設備，通過(guò)改變基片偏壓，在康寧Eagle玻璃、單晶Si(100)和M2高速鋼基底上沉積不同偏壓的TiB2-Ni涂層。其中TiB2靶(直徑100mm，厚度4mm，純度為99.9%)上均勻覆蓋Ti片，采用中頻電源(MF)，400W，100kHz；Ni靶(直徑100mm，厚度4mm，純度為99.995%)采用射頻電源(RF)。涂層沉積前將沉積室本底真空抽到8×10-5 Pa以下�；謩e在丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水中進(jìn)行了超聲清洗，然后用氮氣吹干。沉積時(shí)在A(yíng)r氣氛下，氣壓控制在0.7Pa�；准訜嶂�300℃，基片偏壓分別為-30，-50，-90和-110V，涂層厚度控制在1.3～1.5μm之間。
1.2、涂層表征
采用Bruker D8型X射線(xiàn)衍射(XRD)儀對涂層進(jìn)行物相分析，CuKα射線(xiàn)，θ/θ模式，步長(cháng)設定為0.01°，掃描范圍20°～70°。涂層的生長(cháng)結構利用Hitachi S4800 高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀(guān)測，加速電壓為4kV。涂層的硬度測量在MTS NANO G200納米壓痕儀上進(jìn)行，采用金剛石Berkovich壓頭，為了減小基底的影響，最大壓入深度設為150nm(約為膜厚的1/10)。每個(gè)樣品測量8個(gè)點(diǎn)并取平均值，通過(guò)加載卸載曲線(xiàn)計算出塑性指數。涂層與基底的結合力分析采用CSM 公司的Revetest劃痕儀進(jìn)行測試，壓頭為半徑200μm的金剛石Rockwell壓頭，力加載為0～100N，加載長(cháng)度為3mm。維氏壓痕測試采用HV-1000顯微硬度計。利用FEI QuantaTM 250FEG型SEM 對劃痕形貌和維氏壓痕形貌進(jìn)行了表征，電壓為5kV。采用CETR UMT-3摩擦試驗機對涂層的摩擦學(xué)性能進(jìn)行表征，使用球盤(pán)往復模式。在室溫，濕度為62±5%的條件下進(jìn)行實(shí)驗。對偶球采用直徑為6mm的Al2O3球，加載為2N。對偶球的往復速度和頻率為5cm/s和5 Hz。磨痕的深度分布使用KLA-Tencor Alpha-Step IQ表面輪廓儀獲得。
3、結論
(1)采用磁控濺射設備制備出了不同偏壓下的Ni摻雜TiB2基涂層。
(2)在結構上，制備出的所有TiB2-Ni涂層只存在六方結構的TiB2，低偏壓涂層趨向于非晶態(tài)，高偏壓涂層結晶性較好，所有涂層生長(cháng)結構致密，無(wú)明顯的柱狀結構且具有很低的粗糙度(小于1nm)。
(3)在性能上，硬度均高于塊體TiB2且大于40GPa；通過(guò)塑性指數與壓痕測試觀(guān)測出具有較好的韌性，韌性隨著(zhù)變壓的增大有所增強；通過(guò)劃痕測試，涂層的結合力隨著(zhù)變壓的增大而增強，高偏壓TiB2-Ni涂層具有較好的結合力；摩擦學(xué)性能上，所制備的涂層摩擦系數均在0.5～0.6之間，磨損率均在1.2×10-15至3.2×10-15 m3/N m 范圍內，保持在同一個(gè)數量級。
(4)通過(guò)對結構和性能的研究，高基片偏壓(約-110V)制備的TiB2-Ni涂層表現出更加優(yōu)異的性能。
