高功率脉冲磁控溅射制备TiNx涂层研究

　　采用高功率复合脉冲磁控溅射技术(HPPMS)在316不锈钢、硬质合金基体上沉积了TiN薄膜，研究不同N2流量下TiNx膜层的沉积速率、硬度、晶体生长取向、摩擦磨损等性能，并在相同的平均靶电流下与直流磁控溅射制备的TiN薄膜对比。结果表明：HPPMS制备的膜层更加致密，在氩氮流量比为7.4:1时膜层显微硬度达2470HV，晶粒尺寸也明显小于直流磁控溅射制备的TiN，摩擦磨损性能也得到了改善。

　　高功率脉冲磁控溅射技术(highpowerpulsedmagnetronsputtering，HPPMS)在近几年引起了学术界和工业领域的广泛关注。这项技术采用较高的脉冲峰值功率和较低的占空比，靶上的峰值功率通常可达到1kW/cm2~3kW/cm²，占空比约为1%，能够显著提高金属材料的离化率。A.PEhiasarian等人研究HPPMS放电溅射钛的发射光谱发现，Ti的离化率超过60%。Kouznetsov等人沉积Cu薄膜，离化率为70%。高功率脉冲放电产生的离子能谱更宽，50%的Ti离子能量超过20eV。较高的金属离化率和较高能量的离子对沉积薄膜有很多优点，如提高膜层的致密性和结合力，对于形状复杂的工件能提高膜层的均匀性，降低沉积温度等方面有重要意义。A.P.Ehiasarian等人利用高功率脉冲放电对衬底材料表面处理后沉积CrNx薄膜，结合力达到85N。HPPMS制备的TiN涂层相对直流磁控溅射所制备膜层结构更加致密，表面更加光滑。

　　本文利用高功率复合脉冲技术制备TiNx涂层，电源能量输出采用直流与脉冲叠加形式，主要研究氮气流量对膜层性能的影响，并与直流磁控溅射沉积涂层进行对比研究。

1、实验方法

　　本实验在自制的MSP-1000复合离子镀膜机上进行，配置了4对孪生磁控溅射靶，钛靶尺寸为120×800mm²(约为960cm²)，通过靶表面刻蚀轨道测量实际放电面积约为320cm²，靶材纯度为99.5%。实验中磁控溅射电源采用MSP2000直流复合高功率脉冲磁控溅射电源，其参数为：输出电压：0V~1000V，稳定输出电流：0A~2000A，脉宽调节范围：30μs~500μs，工作频率：50Hz~1000Hz。考虑到实际放电面积，峰值电流密度可达6.2A/cm²，单个脉冲功率可达2MW。实验所用材料为抛光316L不锈钢(25mm×25mm)和硬质合金刀头，靶基距为80mm。为了研究不同氮含量对氮化钛涂层的影响，在保持相同的峰值电流和平均功率的条件下改变氩氮流量比f(Ar/N2)，采用高功率脉冲和直流磁控溅射两种方法制备TiN涂层。TiN涂层沉积过程包含以下几个步骤：

　　①将真空室本底真空抽至5×10^-3 Pa，基体加热到150℃，通入Ar气(纯度≥99.999%)进行辉光清洗，去除基体表面的污染物。

　　②通入氩气使真空度保持在0.4Pa，开启高功率脉冲电源沉积钛过渡层5min约500nm，工件施加偏压-800V。

　　HPPMS放电能够溅射出较多的Ti+和Ti2+，在偏压的作用下产生强烈的轰击效应，第一个作用就是清洁与基体结合不牢固的污染物，第二个作用就是沉积Ti过渡层，增强膜基结合力。③改变频率和靶电压来保持相同的平均功率7kW，在不同的氩氮流量比下制备氮化钛涂层，其实验参数见表1。为了保证实验可比性，在相同的平均靶电流及Ar/N2比为7.4:1的条件下制备TiN-5，直流电源输出功率为2.2kW。实验中所有样品偏压保持一致-140V。

表1 不同Ar/N2流量比下制备TiN实验参数

　　实验时用TektronixDPO4054500-MHz数字示波器监测靶电压、电流波形。利用X′PertPROMPD型X射线衍射仪研究氮化钛涂层组织结构特征，用日本JSM-6490VL扫描电镜(SEM)、OLYMPSBX51M金相显微镜观察表面形貌。用MS-T3000多功能摩擦磨损试验机测试涂层摩擦磨损性能，载荷100g，转速500r/min。用显微硬度计(HXD-100TME)在硬质合金(1600HV)基体上测定薄膜硬度，载荷为50gf，每个试样取5个测试点的平均值。

3、结论

　　(1)采用直流复合高功率脉冲技术成功制备了Ti/TiN复合膜。沉积过程中最大峰值功率达到1.5kW/cm2。

　　(2)当氩氮流量比为7.4:1时，HPPMS-TiN涂层硬度达2470HV，远高于在相同氩氮流量比下直流磁控溅射制备的TiN涂层硬度(1900HV)。

　　(3)相比直流磁控溅射技术制备的TiN，磨损摩擦性能有所改善，由于膜层中颗粒的存在，HPPMS-TiN涂层最低摩擦系数为0.49。