一种纳米多层膜材料及提高多层膜结构高温稳定性的方法

摘要

本发明的一种纳米多层膜材料及提高多层膜结构高温稳定性的方法属薄膜材料技术领域。其构成是在Ti/TiN或CrN/TiN的两层膜之间镀有非晶Si3N4间层，非晶Si3N4间层的厚度是0.6～1.0nm。采用在多层膜中加入的非晶Si3N4间层的方法，能有效限制多层膜层间扩散，达到提高多层膜结构高温稳定性的目的。可以利用多靶磁控溅射技术在基底上交替沉积得到纳米多层膜材料。本发明的方法可使涂层的硬度、弹性模量和断裂强度等力学性能在很大程度上得到提高。

说明书

技术领域

本发明属薄膜材料技术领域，特别涉及一种金属或陶瓷多层膜结构及提高多层膜高温稳定性的改善方法，应用于刀具磨具涂层的改性。

背景技术

当前，以数控机床为基础的现代制造技术正朝着高速、干式切削加工的方向迈进。由于刀具涂层技术可大幅度地提高切削刀具的综合性能，尤其是近年来纳米超硬薄膜设计概念的提出，在理论上可有效地改善涂层刀具的硬度、韧性和摩擦系数等性能，使涂层刀具应用于高速、干式切削加工成为可能。但是，在高速、干式切削加工中刀具涂层很容易达到800-1000℃，纳米多层膜结构的涂层在高温时发生的层间扩散和结构劣化将导致涂层硬度和其他由纳米结构决定的性能的下降，从而严重影响涂层刀具的使用寿命和加工效率，因此，提高纳米多层涂层结构的高温稳定性对高速、干式切削加工刀具磨具涂层具有重要意义。

经对现有技术的检索发现，由两种材料以纳米量级交替沉积形成的纳米多层膜中广泛存在硬度增强效应，此类薄膜由两种剪切模量不同的材料组成，借助于界面对位错运动及裂纹扩展的阻滞作用，可使涂层的硬度、弹性模量和断裂强度等力学性能在很大程度上得到提高。但是，如TiN/CrN、Ti/TiN等纳米多层膜材料热稳定性较低，分别在700℃、500℃产生多层膜层间扩散造成混熔。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于克服现有Ti/TiN、CrN/TiN纳米多层膜高温热稳定性差的不足，提供一种多层膜材料和提高多层膜热稳定性的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，在热稳定性差的多层膜的两层材料之间加镀与之不相溶或不混熔的非晶Si₃N₄间层，有效地限制多层膜两层材料之间的层间扩散。

本发明的纳米多层膜材料的构成包括Ti/TiN或CrN/TiN多层膜，其特征在于，在Ti/TiN或CrN/TiN的两层膜之间有非晶Si₃N₄间层。即多层膜材料的各层膜的顺序分别是...Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄/Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄...或...CrN/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄/CrN/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄...，可以有20～500个周期，使纳米多层膜材料的厚度达到0.2～6微米，以适合刀具磨具使用。

夹在Ti/TiN或CrN/TiN多层膜之间的非晶Si₃N₄间层的厚度既不能太薄，影响限制多层膜两层材料之间层间扩散的效果，也不能太厚，影响原多层膜的力学性能。较好的非晶Si₃N₄间层厚度是0.6～1.0nm。

Si₃N₄是一种高硬、高化学稳定性的非晶材料。用Si₃N₄与TiN组合制备多层膜材料，硬度超过40GPa，结构热稳定性超过1000℃；用Si₃N₄与CrN组合制备多层膜材料，结构热稳定性也超过900℃。因此，对较低热稳定性的多层膜如TiN/CrN、Ti/TiN等，在多层膜中加入一定厚度的非晶Si₃N₄间层可以有效限制多层膜层间扩散，达到提高多层膜结构高温稳定性的目的。本发明的提高多层膜结构高温稳定性的方法就是在多层膜的各层膜之间加入厚度0.6～1.0nm的非晶Si₃N₄间层。这种方法迄今为止还未发现有报道。

所说的多层膜可以是TiN/CrN或Ti/TiN材料的，还可以是Mo/Si或Ni/Ti等材料的多层膜。

由于多层膜两种材料和非晶Si₃N₄材料的剪切模量不同，以及非晶Si₃N₄间层的加入增加了膜内界面的数量，可以有效增加位错运动及裂纹扩展的阻滞作用，由于Si₃N₄非晶材料对多晶材料的结构适应性，可以有效降低多层膜内的残余应力，增加层间附着力，从而可使涂层的硬度、弹性模量和断裂强度等力学性能在很大程度上得到提高。

实现上述思想的主要技术问题在于：非晶Si₃N₄层厚的选取以及非晶Si₃N₄和其他镀膜材料沉积参数的确定。

在本发明的技术思想指导下，利用多靶磁控溅射技术在基底上交替沉积含非晶Si₃N₄间层的Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄、CrN/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜材料，制备工艺如下：

首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷基体上采用多靶磁控溅射方法交替沉积Ti层、Si₃N₄间层、TiN层、Si₃N₄间层或CrN层、Si₃N₄间层、TiN层、Si₃N₄间层，制取Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄或CrN/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜材料，其中Si₃N₄间层由硅靶射频反应溅射获得，Ti层由钛靶直流溅射获得、TiN层和CrN层分别由钛靶和铬靶直流反应溅射获得，溅射压强为0.5～1.0Pa。

非晶Si₃N₄间层、TiN层和CrN层的溅射气体为Ar和N₂，Ar气流量30sccm，N₂气流量10sccm，非晶Si₃N₄间层厚度为0.6～1.0nm，TiN层和CrN层的厚度可以为5nm。Ti层的溅射气体为Ar，Ar气流量30sccm，Ti层的厚度可以为5nm。

制取Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜时可以加100V直流负偏压，制取CrN/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜时可以加140V直流负偏压。

制取Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜时，镀Ti层前抽取真空室残余N₂气400秒，镀Ti层后充入N₂气，经过40秒Ar气和N₂气均匀化过程后再镀Si₃N₄间层。

利用真空镀膜设备中靶前的挡板停留时间来控制多层膜各层的厚度，挡板停留时间可以是Ti层20～24秒，TiN层49～53秒，CrN层19～23秒，Si₃N₄间层24～28秒。

镀膜材料的靶功率：镀Ti层的钛靶和镀CrN层的铬靶均为52～56W(I＝0.2A，U＝270V)，镀Si₃N₄间层的硅靶为200～220W(板压800V，板流0.275A)，镀TiN层的钛靶为106～110W(I＝0.4A，U＝270V)。

所述的基体，其温度为18℃～400℃。

所述的多层膜材料可为20～500周期，膜厚0.2～6.0微米。

本发明的方法的有益效果主要是提高了多层膜热稳定性，可以应用于刀具磨具涂层的改性上，或应用于软X射线反射镜的Mo/Si或Ni/Ti等材料的多层膜上。

具体实施方式

实施例1

以Ti/TiN纳米多层膜为例，其中在周期结构单元中Ti和TiN的设计厚度均为5nm，共计镀膜30个周期。镀膜工艺条件为：基底温度为300℃，Ar气流量30sccm，N₂气流量10sccm，偏压-100V，沉积压强0.8Pa，由此得到的Ti/TiN纳米多层膜硬度为19GPa，X射线反射谱(XRR)显示其多层结构的热稳定性温度为500℃，800℃退火后硬度降为16GPa。

加入0.8nm非晶Si₃N₄间层制备Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜材料，工艺条件同Ti/TiN纳米多层膜制备工艺；每沉积一层Ti或TiN后都沉积一层非晶Si₃N₄间层，镀膜工艺条件与TiN的相同。制得的Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜材料共30个周期。经检测，硬度为18GPa，X射线反射谱(XRR)显示其多层结构的热稳定性温度超过800℃，800℃退火后硬度增加到22GPa。

实施例2

以TiN/CrN纳米多层膜为例，用实施例1的制备Ti/TiN多层膜的镀膜工艺，制得的TiN/CrN纳米多层膜X射线反射谱(XRR)显示，其多层结构的热稳定性温度为700℃，800℃退火后硬度降低。

加入0.8nm非晶Si₃N₄间层制备CrN/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜材料，工艺条件同实施例1制备Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜材料的工艺。制得的Ti/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄多层膜材料的X射线反射谱(XRR)显示，其多层结构的热稳定性温度超过900℃。

实施例3

本发明的方法还可以制备应用于软X射线反射镜的Mo/Si或Ni/Ti等材料的多层膜上。除所用的靶材外，制备过程和工艺条件大体与实施利1、2相同。