脉冲偏压频率对TiSiN/TiAlN纳米多层膜结构和性能的影响规律

摘要

目的研究脉冲偏压频率对Ti SiN/TiAlN纳米多层薄膜结构和性能的影响,优化工艺参数,以提高薄膜的性能。方法采用脉冲偏压电弧离子镀,在M2高速钢和单晶硅基底上以不同脉冲偏压频率沉积Ti SiN/TiAlN纳米多层薄膜,采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪和纳米压痕仪,研究脉冲偏压频率对Ti SiN/TiAlN纳米多层薄膜的表面形貌、元素成分、截面形貌、相结构和纳米硬度的影响。结果 Ti Si N/TiAlN纳米多层薄膜表面的大颗粒直径主要集中在1μm以下,随着脉冲偏压频率的变化,大颗粒的数量为184~234,所占面积为40.686~63.87μm^(2);主要元素为Ti元素和N元素,所占原子比分别为48%和50%,Si和Al元素的含量较少;多层结构不明显,截面形貌可观察到柱状晶的细化,80 kHz时出现片状化结构;以(111)晶面为择优取向,晶粒尺寸在20 nm左右;纳米硬度为28.3~32.3 GPa,弹性模量为262.5~286.8GPa。结论 50kHz时,Ti SiN/TiAlN纳米多层薄膜表面大颗粒的数量最少,为184个;70kHz时大颗粒所占面积最小,为40.686μm;晶粒尺寸在50~60k Hz时发生细化,60k Hz时,晶粒尺寸达到最小值19.366 nm,纳米硬度和弹性模量分别达到最大值32.3 GPa和308.6 GPa,脉冲偏压频率的最佳频率范围为50~70 kHz。