磁控溅射制备(Ti,Al,Cr)N硬质薄膜及其力学性能的研究(2)

2.3、TiAlCrN薄膜硬度和弹性模量与Cr含量的关系

　　由图3 可看出，TiAlCrN薄膜的硬度随Cr含量增加先增加，随后降低。说明Cr 含量过低、过高都会导致TiAlCrN薄膜的硬度下降。TiAlCrN薄膜弹性模量都在170~180（GPa）之间，随Cr含量的不同变化不大。说明Cr含量的变化对薄膜的弹性模量不会产生太大影响。

图3 TiAlCrN薄膜的硬度、弹性模量与Cr含量的关系

　　比值H/E反应了薄膜断裂韧度性能。此比值越小越好。#1的比值最小，其次是#5，#6的比值最大。由此可看出，TiAlN薄膜的断裂韧度最差，加入Cr以后，薄膜断裂韧度增强。

2.4、TiAlCrN薄膜与基体的结合力对Cr含量的依赖性

　　如图4 所示，TiAlCrN薄膜的第一临界载荷除#3较低外，总体上是随Cr含量增加而增大，#4最大，为112.1mN。不含Cr的TiAlN薄膜最小，为66mN。TiAlCrN薄膜的第二临界载荷较TiAlN 薄膜有明显提高，几乎增加了一倍，且随Cr含量增加而增大。从图4 中还可看出，不同Cr 含量的TiAlCrN 薄膜的第二临界载荷都在130 mN以上。#5也就是最大Cr含量的TiAlCrN 薄膜的第二临界载荷最大，达到157.4mN。说明Cr 的加入能显著提高薄膜与基体的结合力，这与文献的研究结果相一致。

　　TiAlCrN薄膜是目前薄膜与基体结合较好的膜体之一。不仅常温下TiAlCrN 薄膜与基体有非常良好的结合力，在高温下与基体的结合力仍然很好。有人认为，Ti、Al 在溅射中与N 元素作用，形成的Ti2N、AlN 与CrN具有相同的晶格结构、相近的晶格常数，从而显著提高膜基结合度。TiAlCrN 镀层致密，均匀性较好，组织细小，薄膜与基体无明显的分界面，属于融合型界面，这种界面可以保证镀层和基体之间获得良好的结合力。TiAlCrN 薄膜这一优异性能为其具有较好的耐磨性，优异的抗高温氧化性提供根本保证。

图4 TiAlCrN薄膜的临界载荷与Cr含量关系

3、结论

　　采用超高真空反应磁控共溅射在不锈钢基体上成功制备TiAlCrN薄膜。通过改变Cr靶溅射功率得到不同表面形貌、不同力学性能的TiAlCrN薄膜。经过实验、分析，得到以下结论：

　　(1) 随Cr靶溅射功率增加，TiAlCrN薄膜中的Cr含量逐渐增加，而膜厚先增加后减小。

　　(2) TiAlCrN薄膜硬度随Cr含量增加，先大，然后降低。Cr含量过低、过高都对薄膜硬度产生不利影响。Cr含量的变化对TiAlCrN薄膜的弹性模量影响不大。

　　(3) 沉积的TiAlCrN薄膜的第一临界载荷和第二临界载荷随Cr含量增加而增大，Cr的加入能显著提高薄膜与基体的结合强度。

　　致谢:感谢中国民航大学理学院物理实验室陈逸飞老师，天津师范大学凝聚态物理实验室的王明霞老师，天津大学现代材料物理研究所米文博老师的帮助。