電弧離子鍍沉積TiCx薄膜的結(jié)構(gòu)和性能研究

　　采用脈沖偏壓電弧離子鍍沉積系統(tǒng)，在W6Mo5Cr4V2高速鋼基體上制備出不同成分的TiCx薄膜。通過(guò)掃描電鏡、X射線衍射、X射線光電子譜及拉曼光譜對(duì)薄膜的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；采用納米壓痕和摩擦磨損試驗(yàn)來(lái)表征薄膜的力學(xué)性能。結(jié)果表明：所制備的薄膜為富碳TiCx薄膜，富碳成分均以非晶碳形式存在。隨著非晶碳組分的增加，薄膜硬度和彈性模量逐漸降低，獲得的最高值分別為36GPa和381GPa，同時(shí)薄膜的摩擦系數(shù)在0.2～0.3之間。

　　TiC薄膜是一種典型的NaCl型的晶體結(jié)構(gòu)，具有高硬度、低摩擦系數(shù)、高熱穩(wěn)定性以及良好的抗腐蝕能力，成為工業(yè)生產(chǎn)上常用的耐磨防護(hù)涂層材料之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)TiC薄膜進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化，以提高薄膜的硬度、耐磨性以及結(jié)合強(qiáng)度。在制備TiC薄膜過(guò)程中，當(dāng)碳含量較高時(shí)，偏離理想的化學(xué)計(jì)量配比會(huì)形成富碳TiCx薄膜，富余的碳主要以非晶碳形式存在，對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要影響。A.A.Voevodin等針對(duì)Ti-C二元系統(tǒng)提出了超韌納米復(fù)合薄膜，并發(fā)現(xiàn)納米尺度的TiC晶粒彌散分布在體積分?jǐn)?shù)約為30%的非晶碳基體中形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，獲得最佳的硬度和耐磨性能。同時(shí)在類(lèi)金剛石薄膜摻雜研究中也發(fā)現(xiàn)，在DLC膜中摻入Ti，形成的TiC納米晶，起到強(qiáng)化DLC 薄膜作用。因此研究不同成分下TiCx薄膜的結(jié)構(gòu)和性能成為必要。

　　目前制備TiCx薄膜的方法主要有磁控濺射、電弧離子鍍、化學(xué)氣相沉積、以及脈沖激光沉積等。其中，電弧離子鍍制備TiCx薄膜時(shí)，多采用C2H2、CH4等氣體作為碳源材料，但工藝的控制和重復(fù)性較差，并且在不同源氣體條件下制備的薄膜結(jié)構(gòu)明顯有差異，致使薄膜的性能發(fā)生變化。如果采用石墨靶，通過(guò)精確控制弧靶電流，可避免氣體反應(yīng)所帶來(lái)的不利影響。本文采用脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)改變分離靶弧流獲得不同成分的TiCx薄膜，研究不同碳含量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。

　　1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)采用自行研制的MMLab-Arc-II型增強(qiáng)磁過(guò)濾脈沖偏壓電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　脈沖偏壓電弧離子鍍?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

　　采用直管增強(qiáng)磁過(guò)濾系統(tǒng)可有效過(guò)濾大顆粒，提高薄膜表面質(zhì)量。沉積室為一水平放置的圓柱狀腔體，兩個(gè)對(duì)向平行分布的弧靶位于腔體兩端，分別安裝高純石墨靶和純Ti靶�；�體材料為Φ20mm×3mm的高速鋼W6Mo5Cr4V2圓片，將樣品研磨拋光后，依次放置丙酮和乙醇中超聲清洗30min，然后吹干放入真空室中。首先采用機(jī)械泵、羅茨泵以及分子泵對(duì)真空室進(jìn)行抽氣，當(dāng)本底真空低于5×10^-3 Pa時(shí)，通入氬氣，在高脈沖偏壓的作用下引發(fā)輝光放電，對(duì)所有基片進(jìn)行10min的氬離子輝光清洗，以去除基片表面的鈍化膜和其它雜質(zhì)。在薄膜制備過(guò)程中，通入氬氣，保持沉積氣壓為0.5Pa，通過(guò)高壓脈沖點(diǎn)燃陰極靶材形成等離子體，然后在基片負(fù)偏壓的作用下加速到達(dá)基片表面最終形成膜層。為提高薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，首先沉積10min的Ti過(guò)渡層，然后保持石墨靶弧流恒定，改變金屬鈦靶弧流，制備出不同成分的TiCx薄膜，沉積時(shí)間為60min，具體沉積參數(shù)如表1所示。

表1　TiCx薄膜實(shí)驗(yàn)參數(shù)

　　用Bruker-D8多功能薄膜X射線衍射儀(XRD)對(duì)薄膜進(jìn)行物相分析，所用模式為掠入射，入射角為1°；用VG ESCALAB MK2型X 射線光電子能譜(XPS)儀分析薄膜的元素含量和化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，采用單色化Al靶(1486.6eV)；利用Invia型拉曼譜儀進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試，激光器為He-Ne氣體激光器，功率為35mW，激光波長(zhǎng)為632.8nm。用Nano indenter XP型納米壓痕儀來(lái)測(cè)量薄膜的硬度和彈性模量，儀器采用連續(xù)剛度測(cè)量法，選用Berkovich金剛石壓頭；用UMT-2型多功能微摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)表征薄膜的摩擦學(xué)性能，采用往復(fù)式摩擦模式，摩擦副為Φ3.3mm 的GCr15鋼球，加載載荷為1N，滑動(dòng)時(shí)間5min。

　　3、結(jié)論

　　利用脈沖偏壓電弧離子鍍沉積系統(tǒng)在高速鋼基體上成功制備出不同成分的富碳TiCx薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜中碳含量對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和性能具有重要影響。隨著碳含量的增加，TiCx薄膜的結(jié)晶度逐漸降低，同時(shí)薄膜的硬度和彈性模量逐漸降低。薄膜的摩擦系數(shù)在0.2～0.3之間。