磁控溅射铁镁镀层的结构与力学性能关系.doc

磁控溅射铁镁镀层的结构与力学性能关系 O. Bouaziz a, A. Billardb,摘要：铁镁镀层在不同压力和偏置条件下溅射沉积在玻璃和钢基板上。镁溅射的衬底偏压在-75-100之间，强烈的副作用导致镁含量梯度在中心与基板边缘上有一个比较重要的氩植入。 在镁含量达到20%而无氩时涂层密集结构的内部压应力和衬底偏压分别为0.2Pa和-50V。随着镁含量增加，涂层从17%镁的部分非晶相变为37at%镁的全非晶相。硬度测量表明，镁富集相达到7%。增加的硬度取决于固溶效果。为了更高的镁富集化，硬度降低符合逐步稳定的非晶涂层。非晶涂层的结晶发生在200C左右，并且饱和体心立方固溶体的混合体源于铁和密排立方的镁。提高退火温度，降低了体心立方相的晶格参数，因此，镁饱和。最后表明，在300C退火后，低镁含量涂层（3at%镁）同时出现体心立方的铁和密排立方的镁的衍射线，证明了镁和铁的不溶性符合热力学平衡条件。关键词：磁控溅射，铁镁涂层，结构特征1.引言 降低铁合金密度对铁制造商构成一个重大的挑战，特别是汽车应用方面。为了解决这个问题提出了不同的解决方案。因为加入了极低密度的镁，铁镁合金有望提高机械性能与密度的比值。然而，涂层沉积过程需要构成一种廉价的方法来降低合成大量铁镁合金的成本。本文探讨其潜在的利益及其力学性能随其镁含量的关系。 铁和镁已知是热力学不相溶的，特别是由于其差异很大的原子半径。因此，铁镁溅射沉积或蒸发涂层很少被研究到。目前，除了他们的多层纳米涂层的磁场性质和最近由于反射到透明过渡金属的氢化物的转变为开关的镜子MgFe2Hx进一步加氢。在本文中，我们探讨各种形式的中性氩气氛下的铁和镁溅射沉积的富铁铁镁涂层。通过反应堆配置说明，我们目前最初的铁配置用于这项研究。然后对放电参数的影响进行调查，以确定基本溅射条件。对于致密的铁镁涂层的沉积是由其结构和力学性能以及他们的热稳定性与他们的化学成分决定的。2.实验步骤 铁镁涂层在室温(b60 C)溅射沉积在玻璃和铁素体不锈钢AISI 430基板上，同时溅射有两个金属靶的纯氢。实验装置是一个40升的溅射腔泵，也可以通过一个允许基本真空约10-4Pa的涡轮分子泵，配置有两个靶相距120mm, 平行于靶的互相用旋转衬底夹具。对着靶定位衬底，中心到衬底夹具为60mm,取50mm(DT-s)的距离。50mm距离的靶安装在不平衡磁控管，并采用了先进能源发电机（直流电源配备了20kHz Spark-le脉冲单位和/或Pinnacle+)。控制MKS流量计，是氩气流量控制在40至20sccm，调节产氩压力，使用aMKS Baratron衡量指标，使其分别在0.4 和0.2 Pa。沉积是由固定放电执行的，目前消退铁靶在0.5A，通过改变放电电流消退镁高达0.3A。实验运行时间为2小时并且适用衬底偏压在-50V-100V之间浮动。为了使载波片的固定好，要用表面暴露于金属流的导电铜棒固定。用载玻片步骤法测量得涂层厚度约24m，球在钢基板上运行的Talysurf轮廓允许的精度在大约2030nm。通过使用掠射角X射线衍射(kCo=0.179 nm)和Inel衍射一个入射角4，得到涂层的结构特点。A Phillips FEG XL30S扫描电子显微镜还配备了能谱能源谱仪，用于化学成分的测量。 对应力进行测量，测量沉积后产生的薄钢悬臂(100m的4x50mm)的曲率。最初真空下550C退火1小时。利用光学显微镜与动产表进行曲率测量，从而使测定的X/Z用不同的立场分悬臂。最后进行硬度测量，维氏压痕采用10 g的恒载荷。最后，保持AISI 430基板上2小时的所选择的温度，然后在300 C的空气中进行退火处理。 图1是用于本研究的铁靶的具体配置，它源于以前的研究。它是将1.5mm厚的铁环固定在一个铜环上，而外部有一个不锈钢环和一个中央不锈钢件，铁螺丝杆件和铜件通过不锈钢件相连。靶的不同部分的尺寸为优化实验，为避免铁加热和增加放电产生以前的配置和相关的杂质(Cu 或 Cr)进入镀层。3.结果和讨论 3.1测定基本沉积条件。 3.1.1表面形貌和组成 首次运行对本次研究的基本条件进行了修复。因此，铁(0.5 A)和镁 (0.1 A) 受到0.4Pa的氩气压力和在衬底上的浮力。照片（图2）显示了金相的形貌和特征及其较低的密集度。衬底偏压会影响涂层致密度。EDS描绘出从薄膜的中心到边缘对着靶的位置被沉积在2525mm的AISI 430基板上并且衬底偏压在-50-100V之间，发现其镁含量的一个重要的演化，强烈的副作用的特征。这种副作用在衬底偏压为-100V比-75V时更明显。而且在-50V消失了。后来试样的中心的镁含量的增加了而衬底偏压绝对值减小，这两个事实对镁的优先磁控溅射是密切相关的，就像如前所述的Al-Mg涂层的其他情况。此外，涂层的富镁区在-75-100V也出现重要的氩含量(78 at%)，植入的过程取决于偏压。氩植入被假定为在一个具体的表面形貌与许多坑的出现（图2C，D）。由于薄膜在-50V偏压沉积时，氩(0.5 at.%)衬底偏压相当自由，出现了一种反射面（图2B），这个衬底偏压被保留做进一步实验。3.1.2.应力测量 应用斯托尼公式对内应力进行测量后确定产生的曲率。用一块0.30.2Pa，衬底偏压在-50 -75V的悬臂式薄钢板。由于镁含量较低，镀层屈服于内部压应力。成为提交越来越多的拉应力与镁富集相。同样地，已经提到的其他金属其MT/MG比率也有众所周知的影响。增加金属原子撞击的平均能量使含量在压应力到拉应力过渡加强，例如通过增加氩气压力或增加负衬底偏压的绝对值。然而，涂层在0.2Pa与偏压为-50V时沉积，仍然提交内部压应力达到约20at%镁。这些条件导致无论镁含量达到多少，薄膜的反射表面仍然被保留为以下的研究。图1。专为这项研究设计的50mm直径的铁靶图2。铁镁涂层在0.4Pa沉积的表面形貌是A，衬底偏压为-50V、-75V、-100V的浮动潜力分别为B、C、D图3。 镁和氩在0.4Pa涂层沉积从中心到边缘的外形与衬底偏压的函数曲线图图4.内应力随在不同氩气压力和不同衬底偏压下沉积的铁镁涂层的镁含量的变化3.2.薄膜性能与基本沉积条件 3.2.1.结构特点 图5展示了铁镁涂层以0.2Pa和-50V的衬底偏压沉积在载玻片上的XRD谱。无论涂层的镁含量为多少，单晶相是体心立方铁氧体。镁含量的增加产生铁氧体衍射线向低衍射角和晶格常数相应增加的转变，并逐步增加其全宽半高（半高宽），出现晶粒细化。请注意，转变是很重要的，达到大约11at%镁，并探讨的主要考虑的是（211）铁从11at%到27at%镁的界线。在含有37at%镁时，涂层是全非晶态，但当涂层的镁含量达到17at%时，非晶相的存在可以被检测到。因此，可以认为镁含量不超过11at%时可以溶解到晶格铁氧体，涂层中含有1530at%镁。构成的体心立方的-Fe(Mg)晶体下降部分植入越来越小的无定形的铁，镁矩阵。3.2.2.测量硬度 用一个10g的载荷对这一系列试样测量维氏硬度。注意这些测量都大致符合压痕深度约0.81m。然后由于涂层的致密在24m之间，没有遵守巴克儿规则。这些硬度的测量参见图6。同厚度的相关薄膜的使用质量和其结构特点是密切相关的。特点: 镁含量达到7at%，硬度从大约0.52GPa增加到0.64GPa。这是主要取决于固溶效果。事实上，观察这一区域的相组成，并没有显著的晶粒细化。铁涂层(0.52 GPa)硬度的高价值被认为是从半高宽的铁涂层的马氏体结构所表现出来的。镁含量在7at%20at%之间时，铁镁硬度由于增加了部分非晶相和减少了部分晶体铁氧体的综合作用从0.6下降到0.4 GPa，这个理论已经被Petch， Hall 提出过。镁含量超过20at%时，无论镁的含量，主要组成涂层的非晶相具有很多相同的硬度。事实上，增加涂层的镁含量，硬度轻微上升。由于衬底偏压的作用，厚度增加受到重大限制。这是硬度低于涂层的硬度。图5.铁镁涂层沉积在玻璃板上镁含量(PAr=0.2 Pa, Vs=50 V)的X射线衍射图.图6。维氏硬度在10g的载荷和铁镁涂层沉积在AISI 430基板上对镁含量的关系 3.2.3.退火处理 涂层沉积在钢基板上退火处理最后完成从150C300C,（图7） 。最初无定形涂层镁含量约为37at%,非晶相结晶发生在大约200 C时，与密排立方富镁相的外观衍射线特征。同时在非晶相的体心立方Fe(Mg)和密排立方镁相的晶体阶段相当高。扩大体心立方Fe(Mg)阶段可以发现，衍射线伴随着轻微位移向低角度的特点，纯体心立方Fe表现出较高的晶格常数比。提高退火温度，超过200产生位移特征衍射，并且走向更高的角度。由于铁衍射线上存在偏差，涂层与衬底相比符合。这个行为解释如下：在200时，非晶相的结晶产生细结晶饱和体心立方Fe(Mg)相和密排立方Mg之一。提高退火温度促进金属不溶性，如铁和镁。分离，这分为晶格参数的减小和晶粒粗化的两个阶段。它可以被认为，经过300退火阶段，共存阶段是紧密排列的纯的体心立方的铁和密排立方的镁，进行平衡预测。事实上，镁的低溶解度被铁证实。尽管相当低镁含量至3at%,退火温度约300形成明确的证据。镁的密排立方晶体这种现象在250时是不存在的。还表明，镁在镀层的含量随着镁结晶温度的降低而增加。最后，可以指出薄膜包含超过10at%的镁含量增加了抗氧化的铁。事实上，颜色会有干扰（黄色，棕色：大约20nm厚的氧化层）退火后出现约含镁5at%，而涂层含有镁10at%,镁在300退火后会出现一个紫颜色（约30nm厚的氧化层），退火后在300的同一时间，会有一个明显的蓝色着色（大约70nm厚的氧化层），涂层约含镁5at%。图7. 退火温度达到300C，37at%镁沉积在AISI430基板上的X射线衍射图谱，及250和300C 3at%涂层退火的X射线衍射花样4.结论 在低压力下对固定在一个旋转的夹具上的玻璃和钢基板上磁控溅射镀富铁铁镁涂层，使用的是原来设定的铁靶。涂层的镁含量是非常敏感的参数，如压力和衬底偏压，致密均匀和化学性质相同的涂层要在0.2Pa的低压和-50V的衬底偏压下获得。对于更高的压力，涂料是多孔的，屈服于内部压应力并且由于更强烈的负衬底偏压的副作用导致从试样的中心到边缘一个非常重要的镁含量的变化关系被观察到。 如同许多其他的金属合金涂层，镁浓缩产生体心立方Fe(Mg)晶粒细化增加了部分非晶相，检测出了约17at%的镁。一个薄膜的完整的非晶相被发现约含37at%的镁。硬度测量表明，当镁浓缩至7at%时，和纯铝涂层相比，约为2025%，略有增加。然后一个相当重要的硬度的下降和逐步转变为非晶体相关联。而压缩到广泛内应力过渡发生在镁含量在20at%时。退火处理完成达到300C表明，薄膜分解成体心立方Fe(Mg)和密排立方Mg相阶段，无论其组成是什么，在200到300C之间，更高的镁含量会有更低的分解温度。因此，镁相在薄膜上被检测到含有3at%的镁含量，这符合在热力学平衡条件下镁溶于铁的非常低的溶解度。最后，结果表明，干预的色彩取决于表面氧化涂层，在更高的温度和镁含量增加到大约10at%时，超过此限制，薄膜在300C时不能氧化1小时，这表明镁在空气中时铁的氧化性能的有利影响。参考文献1 R. 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