磁控溅射Cr-Me-N薄膜微结构调控及增韧机制研究

【摘要】针对如何提高CrN基硬质薄膜韧性的命题,本文采用闭合磁场非平衡磁控溅射离子镀沉积技术制备了CrN薄膜,在此基础上添加Al、Nb元素获得CrN/AlN、CrN/CrAl/NbN多层调幅结构薄膜和CrAIN、CrAlNbN复合薄膜。应用压入法测定薄膜的四角裂纹长度,并用压痕断裂力学理论计算出薄膜的断裂韧性；分析研究具有不同晶体取向的CrN镀层、含Al、Nb等不同添加元素的Cr-Me-N基薄膜的抗裂能力,讨论不同镀层的韧性变化原因,并提出可能提高硬质薄膜韧性的技术途径。研究结果表明,随CrN薄膜沉积偏压提高,沉积率降低,而膜层的微晶尺寸先是稍有减小,到-70V时微晶尺寸达到最小值15.86nm。然后微晶尺寸有所增大。薄膜的晶格畸变量ε则是随渐射偏压提高而逐渐增加的,只是开始增加比较缓慢,偏压到-80V后快速增加。薄膜择优生长取向随偏压升高发生了从(200)向(111)的转变。添加Al和Nb后,CrN基薄膜的断面和表面形貌发生了明显的变化。单一添加Al使镀层的生长晶柱头部变粗大,缺陷增多；Al、Nb共添加明显起到了抑制膜层晶体长大的倾向；从XRD衍射结果分析添加A1和Nb后薄膜相结构仍然是以面心立方CrN相为主,说明A1和Nb固溶于CrN相中。对CrAIN复合镀层,不同A1靶电流弹性模量变化不大；但硬度接近时断裂韧性可明显不同,故单一硬度指标不适合判定镀层的抗裂能力。断裂韧性与镀层抗裂能力较一致。共沉积CrAIN镀层中高的Al靶电流将使镀层中缺陷增多,表面变粗糙,致密度下降,使得断裂韧性下降。多层结构CrN/AIN镀层存在最佳调幅波长,此时镀层抗裂能力最优。复合结构CrAlNbN镀层中Al、Nb含量变化对弹性模量影响较大,机制尚需深入探讨。而其断裂韧性则随Al、Nb含量的增加而提高,与CrAIN复合镀层不同。
【作者】徐雪波；
【导师】凌国平；
【作者基本信息】浙江大学，材料加工工程，2013，硕士
【关键词】磁控溅射；CrN薄；微结构；膜断裂韧性；

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