不同频率溅射沉积的新型耐磨二硼化钒涂层的结构及性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安建筑科技大学材料与矿资学院 作者:陈春立

  采用不同的电源频率沉积新型硬质耐磨VB2涂层。用X 射线衍射(XRD) 、扫描电镜(SEM) 、原子力显微镜(AFM) 表征VB2涂层的结构; 采用纳米压痕仪、划痕仪、摩擦试验机测试VB2涂层的力学性能和摩擦学性能。XRD 结果显示,随着频率增加,VB2涂层衍射峰向小角度偏移,并成( 001) 面择优取向。频率的增加使得VB2涂层的结构从柱状结构变为类似非晶的致密结构且表面颗粒和粗糙度变小。同时比较不同电源频率下制备的VB2涂层在力学性能及摩擦性能上的差异。本实验制备的VB2涂层硬度达到了43 GPa。VB2涂层的磨损率达到了7.8 × 10-16m3 /N m( M2 钢的300 多倍) 。磨损后形貌显示,其磨道非常光滑,并出现只产生于轻微磨损的卷轴状磨屑。

  近些年,过渡金属二硼化物的优异性能越来越受到人们的关注,例如良好的耐磨性、高硬度、优异的稳定性、抗腐蚀能力以及与大多数基底材料的良好结合性能。在过渡金属二硼化物涂层中,TiB2、CrB2已经被研究过:Mayrhofer 等制备出了硬度大于60 GPa 的TiB2涂层,该涂层呈现纳米柱状结构。Berger 和Panich 等研究了TiB2在摩擦上的应用,但他们的磨损率均大于10-16m3/N·m。Audronis 和Zhou 等对CrB2涂层的抗腐蚀、摩擦、力学性能及结构进行了细致的研究。VB2块体与CrB2和TiB2块体性能相近,而VB2作为耐磨涂层几乎没有科学文献进行报道。

  在磁控溅射制备涂层的各项电源设备中,中频电源克服了射频电源沉积速度慢,直流电源不便应用于绝缘靶材的缺点,而且中频电源设备简单,能够防止靶中毒。近来还发现中频电源能够通过改变频率来调整轰击离子的能量,从而改变涂层的结构及性能。本文的主要目的就是选择几种不同频率的电源制备VB2涂层,测试及比较不同频率下制备出的新型VB2涂层的结构和性能。

  1、实验过程

  1.1、涂层制备

  采用双靶磁控溅射系统制备VB2涂层。如图1所示,该沉积系统主要有沉积室和进样室两部分组成。在沉积室中A、B 靶分别为Ti 靶(直径100mm,纯度99. 99%) 和VB2靶( 直径100 mm,纯度99.9%) ,其中Ti 靶作为沉积过渡层Ti 使用。过渡层Ti 的制备参数为中频350 W、100 kHz、60% 占空比、0.6 Pa( Ar) 。采用中频电源( Advanced EnergyPinnacle Plus + 5/5) 作为VB2靶的驱动电源,通过改变电源频率制备不同结构的VB2涂层。电源功率为400 W;频率分别为0( 相当于直流DC) ,100,150和250 kHz;占空比为70%。基片偏压为- 30 V,沉积温度为300℃。样品台自转转数为15 r /min。沉积腔室内的背底真空控制在5 ×10-5Pa 以下,工作Ar 气压为0.3 Pa( 流量为24 mL /min) 。

  本实验采用三种不同基片: (100) 的Si 片,康宁鹰系列的玻璃片以及M2 工具钢( 16 mm × 16 mm × 3 mm) 。在使用前,对这三种基片分别在丙酮、酒精以及去离子水中进行超声清洗,并用氮气吹干。

  1.2、涂层表征

  利用X 射线衍射(XRD,Bruker D8 Advance) 、场发射电子扫描显微镜(FESEM,日立的S4800) 和原子力显微镜(AFM,ASIT-NT Smart SPM) 对VB2涂层的微观结构进行表征。其中XRD 采用θ-θ 模式,Cu 靶Kα 作为发射源。在室温条件下,VB2涂层硬度的测量采用MTS-NANO G200 型( 压头为Berkovich) 纳米压痕仪。测前用烧结石英标样进行校准。为了减少基底对涂层硬度测试的影响,设定压入深度为涂层厚度的10%(约150 nm) 。通过Oliver-Pharr 方法分析加载卸载曲线得到硬度和弹性模量,其中在计算弹性模量时用的泊松比为0.18。涂层与基底的结合力采用CSM 公司型号为Revetest 的划痕仪进行,压头为Rockwell 型,半径为200 μm 的金刚石压头。测试时,力的加载速度为98 N/min,压头移动速度为6 mm/min。涂层的摩擦学性能测试采用CETR UMT-3 摩擦试验机,模式为球盘往复。测试条件为室温,湿度为65 ±7%。对偶球为直径6 mm 的Al2O3球,加载为2 N。Al2O3球的往复滑行速度和频率分别为5cm/s 和5 Hz。采用表面轮廓仪( KLA-Tencor Alpha-Step IQ) 获得磨痕的深度分布;采用FEI QuantaFEG250型FESEM 进一步观测磨痕形貌。

MS450 磁控溅射系统示意图

图1 MS450 磁控溅射系统示意图

  3、结论

  (1) 中频电源频率对VB2涂层的晶体取向有重要影响,VB2涂层(101) 不断减弱,呈现(001) 择优取向,说明频率的改变抑制了VB2晶体向其他方向生长。

  (2) 中频电源在涂层制备中改变了工作离子(Ar+) 的能量,使得VB2涂层的结构从粗大的柱状晶转变为致密的类似非晶结构。

  (3) 晶体取向及结构的改变,涂层的力学性能随之发生变化。在VB2涂层最致密时,其硬度达到了43 GPa。

  (4) VB2涂层的磨损率达到了7.8 × 10-16m3/N·m,且呈现轻微磨损。这种硬质耐磨涂层,也许能在刀具中得到应用。

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