高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层结构调控与性能研究

无机材料学报, 2015, 30(12): 1254-1260. doi: 10.15541/jim20150096

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层结构调控与性能研究

1.大连理工大学材料科学与工程学院表面工程实验室,大连116024;湖南农业大学工学院,南方粮油作物协同创新中心,长沙410128

2.大连理工大学材料科学与工程学院表面工程实验室,大连,116024

3.大连理工大学材料科学与工程学院表面工程实验室,大连,116024

4.大连理工大学材料科学与工程学院表面工程实验室,大连,116024

基金项目: 国家自然科学基金创新群体(51321004) National Natural Science Foundation of China(51102032) 国家自然科学基金(51102032) The Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China(51321004)

关键词：高功率调制脉冲磁控溅射 , TiAlSiN纳米复合涂层 , 微结构 , 硬度 , 磨损

Microstructure Controlling and Properties of TiAlSiN Nanocomposite Coatings Deposited by Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering

Keywords： modulated pulsed power magnetron sputtering , TiAlSiN , microstructure , hardness , wear

采用高功率调制脉冲磁控溅射Al/(Al+Ti)原子比(x)分别为0.25、0.5和0.67的TiAlSi合金靶,溅射功率1～4 kW,氮气分压25％,工作气压0.3 Pa,在Si(100)和AISI 304奥氏体不锈钢基片上沉积了TiAlSiN纳米复合涂层.TiAlSiN涂层中氮含量保持在52.0at％～56.7at％之间,均形成了nc-TiAlN/a-Si3N4/AlN纳米晶/非晶复合结构.随着原子比x增加,非晶含量增加,涂层硬度先升高而后降低.当x=0.5时,硬度最高可达28.7 GPa.溅射功率升高可提高溅射等离子体中金属离化程度,促进涂层调幅分解的进行,形成了界面清晰的非晶包裹纳米晶结构,且晶粒尺寸基本保持不变.当x=0.67时,溅射功率由1 kW上升到4 kW时,硬度由16.4 GPa升至21.3 GPa.不同靶材成分和溅射功率条件下沉积的TiAlSiN涂层的磨损率为(0.13～6.25)×10-5 mm3/(N·m),具有优良的耐磨性能.当x=0.67,溅射功率2 kW时,nc-TiAlN/a-Si3N4纳米复合涂层具有最优的耐磨性能.

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