Al质量分数对磁控溅射Ti1-xAlxN薄膜结构和摩擦学性能的影响

摘要

针对TiAlN薄膜耐磨性不够优异的问题,研究了Al质量分数对Ti1-x Alx N薄膜结构和摩擦学性能的影响.采用磁控溅射沉积技术制备了4种不同Al质量分数的Ti1-x Alx N薄膜.利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD),对薄膜的微观形貌、元素成分与晶体结构进行了表征.采用纳米压痕仪测试薄膜的硬度和弹性模量,用摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试薄膜的摩擦磨损性能.研究结果表明:随着Al质量分数在一定范围内的增加,薄膜从沿c-TiN(111)晶面生长逐渐转向h-AlN(200)晶面择优取向,Ti1-x Alx N薄膜疏松结构得到了改善,柱状结晶发生细化,表面形貌更加致密.同时,Ti1-x Alx N薄膜的硬度和弹性模量得到提高,磨损机理由严重的磨粒磨损、黏着磨损转变为轻微的磨粒磨损,平均体积磨损率降低.Ti0.67 Al0.33 N薄膜的综合性能最优,硬度和弹性模量分别为14.059 GPa和203.37 GPa,摩擦因数最低为0.182,平均体积磨损率为1.321×10-8 mm3/(N·m),呈现出较好的摩擦学性能.