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        磁控濺射ZrAlN薄膜的硬度和斷裂韌性

        2014-04-09 09:37:52朱曉瑩
        關(guān)鍵詞:磁控濺射壓痕韌性

        杜 軍, 郭 蕾, 朱曉瑩

        (裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100072)

        采用物理氣相沉積技術(shù)在金屬材料的表面沉積硬質(zhì)涂層,可以提高金屬材料耐磨損、沖蝕等性能。這層薄薄的涂層(幾微米)如果要發(fā)揮作用,韌性與硬度同樣重要,即不僅要硬,而且要韌。通過合金化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),制備超硬薄膜材料(>40 GPa)技術(shù)已經(jīng)研究多年[1],而近年來有關(guān)超硬薄膜韌化的研究開始得到重視[2]。

        研究薄膜韌化的難點(diǎn)在于:一是韌化的方法和途徑多種多樣[3],薄膜材料韌化方法包括韌性相韌化、納米晶結(jié)構(gòu)韌化、成分和結(jié)構(gòu)梯度韌化、多層結(jié)構(gòu)韌化、相變韌化和壓應(yīng)力韌化;二是韌性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一[4-5],薄膜韌性評價(jià)方法包括彎曲法、壓入法和劃痕法等。在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)使用環(huán)境要求不同,選擇適當(dāng)?shù)捻g化方法和評價(jià)方法。

        研究[6-10]表明:采用氣相沉積技術(shù)制備過渡族金屬氮化物涂層,如TiN、ZrN及其多元合金(Al、Si)涂層等,可顯著提高基體的耐沖蝕性能;通過多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步改善涂層的性能。采用氣相沉積技術(shù)制備ZrN基的多元/多層復(fù)合涂層正成為此類涂層的突破口。

        氣相沉積技術(shù)可以在常溫下得到亞穩(wěn)、非穩(wěn)的高溫相,從而得到既硬又韌的薄膜材料[11]。本文在鈦合金基體上沉積ZrAlN薄膜,研究其硬度和韌性。Al能夠提高材料耐腐蝕和耐高溫氧化性能[12],可以滿足壓氣機(jī)葉片的耐腐蝕與高溫氧化要求。為了評價(jià)薄膜的韌性,選用單晶Si為基體測試斷裂韌性。由于磁控濺射與其他物理氣相沉積技術(shù)相比,具有薄膜致密、工藝參數(shù)靈活等優(yōu)點(diǎn),因此本文采用磁控濺射技術(shù)制備ZrAlN薄膜。

        1 試驗(yàn)方法

        基體材料:鈦合金TC6、Si單晶片?;w材料首先在丙酮中超聲波清洗15 min,采用乙醇脫水,烘干后放進(jìn)真空室。待真空度小于4×10-4Pa后,充入Ar氣到1.3 Pa,加負(fù)偏壓800 V濺射清洗15 min,然后沉積Zr中間層以提高結(jié)合強(qiáng)度。通入N2到0.28 Pa,沉積ZrN 10 min,然后開Al靶,沉積ZrAlN薄膜1 h。調(diào)整Al靶功率分別為0.2,0.4,0.8,1.2 kW,沉積制備4組ZrAlN薄膜。通過能譜分析得知4組試樣的成分分別為Zr0.95Al0.05N、Zr0.77Al0.23N、Zr0.53Al0.47N、Zr0.37Al0.63N。

        利用JSM-6301F場發(fā)射掃描電鏡觀察涂層截面形貌。XRD試驗(yàn)條件:2θ單獨(dú)連續(xù)掃描,步寬為0.02°,掃描速率為6°/min,Cu靶。采用Nanotest 600多功能納米測試儀測定TC6試樣薄膜硬度,載荷為10 mN。利用MH-5型顯微硬度計(jì),采用維氏壓頭在Si片試樣上測量斷裂韌性,載荷為1.96 N,保載時(shí)間10 s。斷裂韌性值為[13]

        (1)

        式中:H為薄膜硬度;E為薄膜彈性模量;a為壓痕對角線半長;Φ為限制因子;L為四角裂紋總長。

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 截面形貌

        圖1為不同Al原子數(shù)分?jǐn)?shù)的ZrAlN涂層的截面形貌。涂層明顯分為2層,如圖1(a)所示:一是陶瓷層;二是位于陶瓷層和Si基體之間的中間層。這與工藝相吻合:制備涂層時(shí),首先在Si基體表面沉積20 min的Zr金屬層作為中間層,以提高膜基結(jié)合強(qiáng)度,降低應(yīng)力;然后再沉積陶瓷層。

        圖1 磁控濺射ZrAlN涂層場發(fā)射掃描電鏡截面形貌

        4組涂層均較為致密,表面平整,呈柱狀晶特征。這種結(jié)構(gòu)即結(jié)構(gòu)區(qū)域模型(SZM)中的T區(qū)。圖1(c)試樣柱狀晶特征最明顯,晶粒較大且邊界明顯,其原因可能是相鄰晶粒的位向差較大。該涂層中出現(xiàn)2處裂紋痕跡,其擴(kuò)展方向與晶界方向一致,這表明涂層韌性較差,易形成裂紋并沿晶界擴(kuò)展,與其壓痕表面的脆性特征吻合。圖1(b)試樣的柱狀特征較圖1(c)試樣減弱,晶粒較小。

        2.2 相組成XRD分析

        圖2為4組不同Al原子分?jǐn)?shù)ZrAlN涂層的X射線衍射圖。根據(jù)衍射pdf 2卡片可知:2θ=33.153°對應(yīng)AlN(100)衍射峰(Ref. Pattern: Aluminum Nitride,00-008-0262);2θ=33.890°和2θ=39.329°分別對應(yīng)ZrN(111)和ZrN(200)衍射峰(Ref. Pattern: Zirconium Nitride,00-035-0753)。圖2中Zr0.95Al0.05N、Zr0.77Al0.23N涂層在2θ=39.4°處出現(xiàn)ZrN(200)擇優(yōu)取向,而且在2θ=33°附近并未出現(xiàn)顯著峰值,表明涂層中除了ZrN外,并未形成AlN第二相,Al固溶到ZrN晶粒中形成置換固溶體。值得注意的是,Zr0.77Al0.23N在2θ=39.4°處出現(xiàn)ZrN(200)的半高寬(FWHM)大于Zr0.95Al0.05N,說明前者結(jié)晶度比后者差。當(dāng)Al原子數(shù)分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高后,Zr0.53Al0.47N和Zr0.37Al0.63N中開始出現(xiàn)AlN第二相,2θ=33.4°峰對應(yīng)AlN(100)。

        圖2 磁控濺射ZrAlN薄膜的XRD物相分析

        2.3 硬度

        圖3為4組ZrAlN涂層的納米壓入加載、卸載曲線。根據(jù)此曲線可得到硬度值和彈性模量值,其中,Zr0.77Al0.23N試樣的硬度最高(40.1 GPa),達(dá)到超硬薄膜水平(一般認(rèn)為>40 GPa即為超硬薄膜)[1]。在涂層制備過程中,為了提高膜基結(jié)合強(qiáng)度,在基體和陶瓷層之間沉積金屬Zr中間層,厚度400 nm。

        薄膜硬度值由Zr0.77Al0.23N 的40.1 GPa降低到Zr0.53Al0.47N的17.1 GPa,這與其他研究結(jié)果吻合:Y.Makino等[14]發(fā)現(xiàn)ZrAlN薄膜的硬度在30%AlN和35%AlN之間發(fā)生突變,由46 GPa降低到28 GPa,伴隨發(fā)生B1結(jié)構(gòu)(立方)到B4結(jié)構(gòu)(六方)的轉(zhuǎn)變。文中從結(jié)合鍵的角度對這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析。圖4為利用149種AB化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到T-Al-N系統(tǒng)(T代表過渡族金屬Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf與W)的B1與B4結(jié)構(gòu)圖,從此圖中得到Zr-Al-N系統(tǒng)B1與B4的轉(zhuǎn)變臨界值為33%AlN,這與Y.Makino等人的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。在各類T-Al-N系統(tǒng)中,B1到B4結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變均伴隨硬度的變化,因此可以斷定,本文中Zr0.77Al0.23N與Zr0.53Al0.47N試樣硬度差異源自結(jié)構(gòu)差異,即前者是B1立方結(jié)構(gòu),而后者是B4六方結(jié)構(gòu),這從圖2中得到驗(yàn)證。

        圖3 磁控濺射ZrAlN涂層相同載荷下壓入深度及彈性回復(fù)比較

        圖4 AB化合物B1與B4轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)圖[14]

        一般將ZrN、TiN和CrN等薄膜稱為氮化物陶瓷薄膜,此類薄膜具有某些金屬薄膜的特性,比如既具有高的硬度(陶瓷特性),又具有良好的導(dǎo)電性(金屬特性)。這與其鍵特性相關(guān):過渡族金屬氮化物的鍵既具有離子鍵特性,又具有金屬鍵特性。而AlN是離子鍵,不具有金屬鍵特性,因此向ZrN薄膜中加入Al時(shí),伴隨Al原子數(shù)分?jǐn)?shù)的增大,薄膜金屬鍵特性逐步喪失,而會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的離子鍵特性。其突變往往與Al在ZrN薄膜中是以固溶體形式存在,或是形成第二相密切相關(guān)。如果是Al固溶到ZrN晶粒中,會(huì)保持ZrN晶粒的立方結(jié)構(gòu)(B1),如果Al含量超過臨界值后形成第二相,即轉(zhuǎn)變成六方結(jié)構(gòu)(B4),而薄膜鍵的特性也會(huì)隨之發(fā)生突變。

        圖3中明顯反映出Zr0.77Al0.23N試樣的最大壓入深度是4組中最小的,而其彈性回復(fù)最大,這說明:1) 該試樣抵擋外物壓入能力最強(qiáng),即外物侵入其內(nèi)最困難;2) 即使外物侵入其內(nèi),并進(jìn)入一定深度,當(dāng)卸載后,該試樣能最大程度地回復(fù)。

        2.4 斷裂韌性

        利用維氏壓頭壓入Si基體ZrAlN薄膜,通過式(1)測量薄膜的韌性,結(jié)果如表1所示??梢钥闯觯篫r0.77Al0.23N試樣具有最大的斷裂韌性值KⅠC,說明Zr0.77Al0.23N薄膜韌性最好。

        表1 薄膜斷裂韌性計(jì)算數(shù)值

        圖5為4組薄膜試樣在2.94 N載荷下的壓痕形貌??梢钥闯觯篫r0.53Al0.47N和Zr0.37Al0.63N試樣壓痕均出現(xiàn)成片脫落,表現(xiàn)出較大脆性;Zr0.95Al0.05N和Zr0.77Al0.23N試樣壓痕邊緣整齊,形狀與壓頭吻合,表現(xiàn)出較好的韌性;Zr0.77Al0.23N試樣表現(xiàn)出最好的承載能力。

        圖5 4組ZrAlN薄膜的維氏壓痕形貌

        結(jié)合硬度測試結(jié)果,Zr0.53Al0.47N試樣在4組試樣中硬度最低,KⅠC最小,而壓痕形貌表明其脆性很大;Zr0.77Al0.23N試樣硬度最高,KⅠC最大,壓痕形貌表明其脆性最小。試驗(yàn)結(jié)果并不符合“越硬越脆”的一般規(guī)律,其原因與薄膜鍵特性相關(guān):Zr0.77Al0.23N試樣的Al固溶到ZrN晶粒中,薄膜仍然是B1結(jié)構(gòu),鍵特性為金屬鍵特性;而Zr0.53Al0.47N試樣薄膜已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)锽4結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出強(qiáng)烈的離子鍵特性,因此脆性很大。

        3 結(jié)論

        1) ZrAlN薄膜的硬度與Al含量密切相關(guān),Al原子數(shù)分?jǐn)?shù)為23%的薄膜硬度大于40 GPa,而原子數(shù)分?jǐn)?shù)為47%的薄膜硬度降低到17.1 GPa,對應(yīng)薄膜的結(jié)構(gòu)從立方B1結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱紹4結(jié)構(gòu)。

        2) ZrAlN薄膜并非“越硬越脆”,其中硬度最大的Zr0.77Al0.23N薄膜韌性最好,KⅠC=3.17;而硬度最小的Zr0.53Al0.23N薄膜韌性最差,KⅠC=1.13。Al固溶到ZrN晶粒中引起固溶強(qiáng)化,提高了薄膜硬度,并未改變薄膜金屬鍵特性,因而韌性好;當(dāng)超過固溶極限后形成第二相,由金屬鍵轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾尚枣I,導(dǎo)致薄膜脆性大。

        參考文獻(xiàn):

        [1] Musil J. Hard and Superhard Nanocompoiste Coatingss[J]. Surface and Coatings Technology, 2000,125(1/3): 322-330.

        [2] Chen K Y, Bielawski M. Interfacial Fracture Toughness of Transition Metal Nitrides[J]. Surface and Coatings Technology, 2008,203(5/7):598-601.

        [3] Zhang S, Sun D, Fu Y Q,et al. Toughening of Hard Nanostructural Thin Films: A Critical Review[J]. Surface and Coatings Technology, 2005, 198(1/3):2-8.

        [4] Xia Z H, Curtin W A, Sheldon B W. A New Method to Evaluate the Fracture Toughness of Thin Films[J]. Acta Materialia, 2004,52(12): 3507-3517.

        [5] Zhang S, Sun D, Fu Y Q, et al. Toughness Measurement of Thin Films: A Critical Review[J]. Surface and Coatings Technology, 2005, 198(1/3):74-84.

        [6] 吳小梅,李偉光,陸峰. 壓氣機(jī)葉片抗沖蝕涂層的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].材料保護(hù),2007,40(10):54-58.

        [7] Yang Q, Seo D Y, Zhao L R, et al. Erosion Resistance Performance of Magnetron Sputtering Deposited TiAlN Coating[J]. Surface and Coatings Technology, 2004, 188-189: 168-173.

        [8] 魏榮華. 適用于渦輪葉片硬質(zhì)顆粒沖蝕保護(hù)的磁控濺射厚氮化物層及納米復(fù)合鍍層研究[J].中國表面工程,2007,20(3):1-8.

        [9] Li D J, Liu F, Wang M X, et al. Structural and Mechanical Properties of Multilayered Gradient CrN/ZrN Coatings[J]. Thin Solid Films,2006,506-507:202-206.

        [10] Braic M, Balaceanu M, Vladescu A, et al. TiN/ZrN Heterostructures Deposition and Characterisation[J]. Surface and Coatings Technology,2006,200(22/23):6505-6510.

        [11] Thornton J A. Influence of Apparatus Geometry and Deposition Conditions on the Structure and Topography of Thick Sputtered Coating[J].J Vac Sci Technol, 1974, 11(4):666-670.

        [12] 李德軍. 具有高溫穩(wěn)定性的ZrAlN薄膜的合成[J]. 中國科學(xué):技術(shù)科學(xué), 2006,36(9):969-974.

        [13] Methrotra P K, Quintio D J. Techniques for Evaluating Mechanical Properties of Hard Coatings[J].J Vac Sci Technol, 1985,A3(6):2401-2405.

        [14] Makino Y, Mori M, Miyake S, et al. Characterization of Zr-Al-N Films Synthesized by a Magnetron Sputtering Method[J]. Surface and Coatings Technology, 2005,193(1/3):219-222.

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