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雙靶磁控濺射共沉積V-C-Co薄膜的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

  通過雙靶磁控濺射共沉積法,在硅(100)和康寧玻璃基片上制備了一系列不同Co含量(原子含量0~2712%)的VC-Co薄膜,并分別用掃描電子顯微鏡及其附帶的X射線能譜儀分析了薄膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)及成分,用X射線衍射儀分析了薄膜的相組成,用納米壓痕儀分析了薄膜的力學(xué)性能。結(jié)果表明,Co在V-C-Co中以非晶的形式存在,且Co的加入會(huì)使VC晶粒尺寸變小,V-C-Co結(jié)晶性變差。隨著Co含量的增加,薄膜呈現(xiàn)出較好的綜合機(jī)械性能,且在含量為11.9%時(shí)達(dá)到z*優(yōu)。
  
  過渡族金屬碳化物具有高硬度,低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),作為表面涂層材料在現(xiàn)代工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。例如TiC因本身優(yōu)異的機(jī)械性能已應(yīng)用于刀具涂層。VC作為硬度較高的過渡族金屬碳化物之一,作為工具涂層使用時(shí)還具有較低的熱導(dǎo)率,且使用中表面會(huì)形成V2O5可因自潤(rùn)滑作用大大降低切削阻力,因此也受到廣泛關(guān)注。但是,碳化物硬質(zhì)涂層本身韌性偏低,這限制了它用作工具涂層時(shí)的使用壽命。因此,改善碳化物硬質(zhì)涂層的韌性顯得極其重要。
  
  近年來,有研究者嘗試通過在碳化物硬質(zhì)涂層中加入第八族金屬元素,利用添加金屬元素制備得到納米復(fù)合涂層的方法來提高韌性,從而提高工具的使用壽命。例如在WC中加入Co形成W-CCo涂層,在TiC中加入Fe形成T-iC-Fe涂層等。這些做法均在一定程度上提高了涂層的韌性。但是,對(duì)于同為硬質(zhì)涂層的VC,類似的研究尚不多見。
  
  基于此,本文通過裝有VC靶和Co靶的磁控濺射共沉積設(shè)備,制備得到一系列不同Co含量的VC-Co薄膜,并系統(tǒng)研究了Co含量對(duì)V-C-Co薄膜微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。
  
  1、實(shí)驗(yàn)
  
  1.1、V-C-Co薄膜的制備
  
  V-C-Co薄膜在MS450雙靶磁控濺射設(shè)備(沈陽(yáng)科友設(shè)備公司)上沉積得到,該設(shè)備有2個(gè)腔室,一個(gè)是沉積室,一個(gè)是送樣室,中間用擋板隔開。在沉積室內(nèi)有兩個(gè)朝向樣品臺(tái)呈一定角度傾斜的靶。兩個(gè)靶分別是陶瓷VC靶(純度為9919%(質(zhì)量比))和金屬Co靶(純度為99.99%),分別由直流電源(AdvancedEnergyMDX1K)和中頻脈沖直流電源(Advanced Energy Pinnacle Plus +5/5)控制。單面拋光的單晶Si(100)基片和康寧玻璃依次經(jīng)過丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗后用高純氬氣吹干裝在沉積室內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的基片架上。加熱基片至300e,當(dāng)背底真空達(dá)到2×10-4Pa后,通入氬氣(32mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))),沉積過程中腔室內(nèi)氣壓保持在0.77Pa。設(shè)置基片與靶之間的距離為9.7cm,基片偏壓為-30V,VC靶上的功率恒定為400W,頻率為350kHz,占空比為80%。通過調(diào)節(jié)Co靶的功率在0~40W之間,得到一系列不同Co含量的膜。沉積時(shí)間均為90min,膜厚控制在1~1.5um,基片架的轉(zhuǎn)速為12r/min。
  
  1.2、V-C-Co薄膜的表征
  
  薄膜的晶體結(jié)構(gòu)分析在Bruker D8 Advance diffractometer X射線衍射(XRD)儀上進(jìn)行,采用Cu-KA射線;用HitachiS4800型掃描電子顯微鏡(SEM)及其附帶的EDAX型X射線能譜儀(EDX)來觀察薄膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)并分析化學(xué)成分。薄膜的硬度和彈性模量在MTS公司生產(chǎn)的nanoG200型納米壓痕儀上測(cè)量,采用Berkovich壓頭,每個(gè)樣品均測(cè)量6個(gè)點(diǎn),取平均值。同時(shí),根據(jù)納米壓痕儀測(cè)試得到的加載卸載曲線計(jì)算出樣品的塑性指數(shù)DH。
雙靶磁控濺射共沉積薄膜研究
  
  圖1 各V-C-Co涂層的XRD圖譜
  
  3、結(jié)論
  
  (1)Co以非晶形式存在,Co的加入會(huì)使VC晶粒尺寸變?。浑S著Co含量的增加,V-C-Co膜層結(jié)晶性變差;
  
  (2)所有的V-C-Co均表現(xiàn)為(111)擇優(yōu)取向的柱狀結(jié)構(gòu);
  
  (3)隨著Co的加入,薄膜的塑性指數(shù)有明顯的提高,但是,硬度也會(huì)一定程度的降低,當(dāng)Co含量接近11.9%時(shí),薄膜具有z*優(yōu)的力學(xué)性能,此時(shí),硬度為22GPa,塑性指數(shù)約為0.53。
標(biāo)簽: 雙靶磁控濺射薄膜研究  

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