Einfluss der Vorspannung auf Struktur und mechanische Eigenschaften von Ni - dotierten TiB2 - basierten Beschichtungen, die durch Magnetronsputtern hergestellt wurden
Apr 17, 2019| Einfluss der Vorspannung auf Struktur und mechanische Eigenschaften von Ni - dotierten TiB2 - basierten Beschichtungen, die durch Magnetronsputtern hergestellt wurden
Eine Reihe von Ni - dotierten TiB2 - basierten Beschichtungen wurde durch nichtreaktives Doppelziel - Magnetronsputtern hergestellt. Die Zusammensetzung wurde mit einem Röntgenenergiespektrometer bestimmt. Die Struktur der Beschichtung wurde durch Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie analysiert. und die Härte, der Modul, die Bruchzähigkeit, die filmbasierte Haftung und die tribologischen Eigenschaften der Beschichtung wurden durch Nanoeinkerbung, Vickers-Einkerbung, Kratzer und Reibung und Verschleiß charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass: die nach diesem Verfahren hergestellte tib2-ni-Beschichtung eine hexagonale TiB2-Struktur aufweist und die Wachstumsstruktur sehr dicht ist, ohne offensichtliche säulenförmige Wachstumsstruktur und geringe Oberflächenrauheit. Die Härte ist größer als 40 GPa; Die Beschichtung hat eine gute Bruchzähigkeit. Die Bruchzähigkeit und die Kohäsionskraft nehmen mit zunehmender Vorspannung zu. Gleichzeitig liegen die Reibungskoeffizienten der hergestellten Beschichtungen alle im Bereich von 0,5 bis 0,6, und die Verschleißrate liegt in der gleichen Größenordnung.
Die durch Magnetron-Sputtern hergestellte Beschichtung auf TiB2-Basis weist eine hohe Härte und eine hohe chemische Stabilität auf, wurde daher in vielen Bereichen häufig eingesetzt und kann zum Schutz der Oberfläche von Schneidwerkzeugen, Formen und Teilen der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Obwohl tib2-basierte Beschichtungen eine hohe Härte aufweisen, sind Materialien mit hoher Härte in der Regel spröde und führen bei Verformung leicht zum Versagen. Niedrige Zähigkeit schränkt die Anwendung von tib2-basierten Beschichtungen im Ingenieurwesen ein, und die Verbesserung der Zähigkeit ist zu einer sehr wichtigen Forschungsrichtung geworden. Im Allgemeinen führt die Zunahme der Zähigkeit leicht zu einer Abnahme der Härte, und es ist schwierig, beides zu erreichen.
Metall- und Keramikmaterialien sind in vielerlei Hinsicht weit verbreitet. Das Hauptmerkmal von Metall ist seine hohe Zähigkeit. Keramik hat eine hohe Härte bei geringer Zähigkeit. In den letzten Jahren wurden Keramik / Metall-Nanoverbundbeschichtungen, die durch Einbau von duktilen Materialien in Beschichtungen auf Keramikbasis hergestellt wurden, ausführlich untersucht. Einige Studien haben Ni oder Ti in viele Carbid- und Nitridbeschichtungen dotiert, wie Ni-dotiertes TiC, TiN und CrN, Ti-dotiertes SiN usw. Die Metalldotierung führt zu Änderungen der Härte und Zähigkeit. Akbari et al. Es wurde eine Ti-Ni-N-Beschichtung mit einer Härte von mehr als 25 GPa und einer guten Zähigkeit gefunden.
Basierend auf den obigen Untersuchungen untersucht diese Arbeit das unterschiedliche Metall, das für die TiB2-Rissbeständigkeit dotiert ist, wobei der Einfluss der gefundenen Ni-Dotierung auf die Anti-Riss-Leistung z * offensichtlich ist, aber in den vorherigen Studien festgestellt wurde, dass es zwar Verbesserungen gibt, diese jedoch gibt sind offensichtliche säulenförmige Wachstum zeigt, dass die Leistung der Beschichtung viel Raum für Verbesserungen hat, auf dieser Grundlage übernimmt dieser Artikel die doppelten Ziele der Zwischenfrequenz und HF-Leistung Magnetron-Sputter-Ausrüstung durch Ändern der Substratvorspannung TiB2 - Ni-Beschichtung wurde von verschiedenen hergestellt vorspannen. Die Struktur und Eigenschaften der hergestellten Beschichtung wurden untersucht und die Auswirkungen des Vorspannungsdrucks auf ihre Wachstumsstruktur, Härte, Bruchzähigkeit, Filmadhäsion und Tribologie wurden diskutiert.
1. Experimentieren
1.1 Rohstoffe und Aufbereitung
Die Beschichtung wurde mit einer MS450-Hochvakuum-Doppel-Target-Magnetron-Sputteranlage hergestellt. Durch Ändern der Substratvorspannung wurde eine tib2-ni-Beschichtung mit unterschiedlicher Vorspannung auf dem Conning Eagle-Glas-, Einkristall-Si (100) - und M2-Hochgeschwindigkeitsstahlsubstrat abgeschieden. Das TiB2-Target (100 mm Durchmesser, 4 mm Dicke, 99,9 mm Reinheit)
1.2 Beschichtungscharakterisierung
Unter Verwendung von Röntgenbeugung vom Typ Bruker D8 (XRD) wurde eine Beschichtungsphasenanalyse durchgeführt, CuK & agr ;, Theta / Theta-Modus, die Schrittlänge auf 0,01 ° eingestellt , Abtastbereich 20 ° ~ 70 ° . Die Wachstumsstruktur der Beschichtung wurde unter Verwendung eines hochauflösenden Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (REM) vom Typ Hitachi S4800 beobachtet. Die Beschleunigungsspannung betrug 4 kV. Die Härtemessung der Beschichtung wurde mit dem Nanometer-Eindrückinstrument MTS NANO G200 durchgeführt, und es wurde der Diamant-Berkovich-Kopf verwendet. Um den Einfluss des Substrats zu verringern, wurde die z * große Injektionstiefe auf 150 nm (etwa 1/10 der Filmdicke) eingestellt. Jede Probe wurde an 8 Punkten gemessen und gemittelt, und der Plastizitätsindex wurde aus der Beladung berechnet und Entladen von Kurven. Das Revetest Revetest-Instrument von CSM wurde verwendet, um die Bindungskraft zwischen der Beschichtung und dem Substrat zu analysieren, und der Druckkopf war ein Diamant-Rockwell-Druckkopf mit einem Radius von 200 m. Die Ladekraft betrug 0 bis 100 N und die Ladelänge 3 mm. Vickers-Eindrucktest mit dem Mikrohärteprüfgerät hv-1000. FEI QuantaTM 250FEG SEM wurde verwendet, um die Kratzmorphologie und die Vickers-Eindruckmorphologie mit einer Spannung von 5 kV zu charakterisieren. Die tribologischen Eigenschaften der Beschichtung wurden durch eine CETR umt-3-Reibungstestmaschine charakterisiert, und der Hin- und Herbewegungsmodus von Kugel und Scheibe wurde verwendet wurde bei Raumtemperatur und einer Luftfeuchtigkeit von 62 5% durchgeführt. Die Doppelkugel ist eine Al2O3-Kugel mit einem Durchmesser von 6 mm, die mit 2 N belastet wird. Die Hin- und Herbewegungsgeschwindigkeit und die Frequenz der Doppelkugel betragen 5 cm / s und 5 Hz. Die Tiefenverteilung der Verschleißspuren wurde unter Verwendung des kla-tencor alpha erhalten IQ-Oberflächen-Profiler.
2, die Schlussfolgerung
(1) Magnetron-Sputter-Ausrüstung wurde verwendet, um eine Ni-dotierte TiB 2 -Basisbeschichtung bei verschiedenen Vorspannungsdrücken herzustellen.
(2) Alle hergestellten tib2-ni-Beschichtungen weisen strukturell nur eine hexagonale TiB2-Struktur auf. Die Beschichtung mit niedriger Vorspannung neigt dazu, amorph zu sein, und die Beschichtung mit hoher Vorspannung weist eine gute Kristallinität auf. Alle Beschichtungen haben eine dichte Wachstumsstruktur, keine offensichtliche Säulenstruktur und eine geringe Rauheit (weniger als 1 nm).
(3) in Bezug auf die Leistung ist die Härte höher als TiB2 und größer als 40 GPa; Es wird festgestellt, dass die Duktilität durch den Duktilitätsindex und den Eindrucktest gut ist. Durch den Kratztest steigt die Schichthaftung mit dem Anstieg des Transformatordrucks, eine vorgespannte tib2-ni-Schicht hat eine gute Haftung; In Bezug auf die tribologischen Eigenschaften liegen die Reibungskoeffizienten der hergestellten Beschichtungen alle zwischen 0,5 und 0,6, und die Verschleißrate liegt im Bereich von 1,2 bis 3,2 bis 10 bis 15 m³ / Nm, wobei die gleiche Größenordnung beibehalten wird.
(4) Durch die Untersuchung der Struktur und der Eigenschaften zeigt die durch hohe Substratvorspannung (etwa -110 V) hergestellte tib2-ni-Beschichtung eine bessere Leistung.
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