TIB2耐蚀性研究.doc

附件1：外文资料翻译译文基于TiB2纳米涂料的力学性能摘要：本文致力于运用磁控溅射的方法获得的TiB2基体纳米涂料的力学性能的研究。通过控制参数试图来提高纳米涂料的硬度和附着力，例如偏置功率和基体溅射清洁。研究发现清洁的溅射基体和沉积明显时的射频偏斜能提高涂层附着力，但是溅射基体降低涂层硬度。通过适当的控制偏置时期，能做出具有高硬度和良好的附着强度的TiB2的涂层。关键字：二硼化钛涂层；纳米压痕；微痕，磁控溅射；硬度；附着力1. 简介随着器械操作程度的的不断增加，如今的器械需要超硬表面和良好的摩擦性能，因此需要开发纳米复合涂层材料1。例如，防护涂层具有高硬度，在较高的接触压力条件下进行摩擦能提供更好的耐磨性2。当正确应用时，这些涂覆在切割工具和其他摩擦组件上防护涂料能提高这些工具的使用寿命3。TiB2是根据其杰出的性能能满足以上要求的候选材料的一种，例如大部分的TiB2 具有非常高的硬度（33GPa）和优秀的耐蚀性。此外TiB2还是一种耐火材料，它具有非常高的熔点为3273摄氏度4。尽管TiB2涂层被许多研究人员广泛研究5-7，但是它的真正用途非常有限。这种情况产生于TiB2存在的两个主要问题。第一点，存的TiB2涂层展示了高的硬度，但是它们非常易碎以至于不能用作抗摩擦的涂层8。此外，TiB2涂层在沉积后通常产生非常高的会进一步损害机械性能的压缩残余应力9。另一个问题就是TiB2涂层的附着力多余许多材料来说太小了。实际上，对于摩擦应用的涂层基体来说涂层的附着力是最关键的方面。最近，已经有越来越多的兴趣提高基于TiB2的涂层的硬度。已经有少量的研究来提高强度和附着力。目前的工作，尝试通过控制沉积参数来提高高速钢基体上的基于TiB2的纳米涂层的硬度和附着力，如偏置基体的功率和溅射清洁时间。本文论述这些工艺参数对合成涂层的组织、定位、硬度、耐磨性的影响。2. 实验方法研究中选用高速钢（HSS）作为基体。商业高速钢，在完全硬化和会火条件下被切割成12123mm的块状。样品的表面经手工打磨抛光。然后将高速钢基体用丙酮和乙醇超声清洗，接着装载到沉积室。在沉积室的压力被疏散到低于510-4Pa时将高纯度的氩气加入到沉积室中。TiB2和Ti都是75mm直径，5mm厚度。TiB2和Ti分别在无线电频率模式和直流模式下提供动力。然后在密封状态下预溅射10分钟。工作台面在每分钟6转的转速下旋转。基体保持在离直流目标（Ti）10厘米的距离，离射频目标（TiB2）5厘米的距离。以上所有实验都在0.65pa的恒压和总体气流量为每分钟20标准毫升的环境下进行。基体的沉积温度为400摄氏度。基体偏置射频功率是用来溅射清洗基体表面和使供基体在不同沉积级别时偏置。在多种方法下首先可以通过用200W的支流电源溅射TI靶十分钟沉积得到一个薄的（约50nm）纯钛过渡层。其次是用200W的射频溅射TiB2靶3小时。参照在沉积前和基体沉积的过程来研究溅射清洗基体产生的影响。表1总结了这个实验中的有关的样品条件。 表1.沉积条件和TiB2涂层的属性用放射性 Cu-Ka来做X射线衍射以此测量相的组成和涂层的情况介绍。用场发射扫描电子显微镜（Jeol JSM 6340F）检查涂层的表面形态和涂层裂缝的截面。纳米压痕技术（微电子有限技术公司，英国）用一个维氏金刚石压头进行纳米测试。 为了统计数据和可靠度，在每个实验中取5-10个加载/卸载曲线来寻找平均结果。目前的实验是在恒定在0.1 mN/s的加载/卸载速度和最大深度为50nm（深度控制模式）的条件下进行的。加载的时间极限位30秒，恒定卸载为80%的条件下热漂移矫正60秒。根据卸载曲线运用Oliver 和Pharr开发的分析技术求出硬度和模量的值10。微痕测试是可选择的多样式磨损划痕的测试方法，硬度计顶部有一个锥形和一个25微米直径的圆形压头。触针以20um/s的速度在一个长度超过1000um的表面切向移动。在低于0.25mN的小负载下，初始值为300um时预扫描，用该硬度计压头以20mN/s的速度线性增加实验载荷。每个划痕实验，都沿着轨迹测量表面轮廓。首先在划痕前（AS）轨道剖面上测量表面轮廓完整的长度距离（1000um）和0.25的小负载荷；接着在刻下划痕过程中（DS），在上一个步骤后通过在预扫描长度后面增加负荷来测量表面轮廓；最后，刻下划痕后（AS），测量表面跟踪轮廓。此外，Bs和Ds的区别在于总的划痕深度包括划痕过程中的弹塑性变形和表面损伤11。As和Bs的区别表明了划痕测试后样品表面的划痕沟槽的剩余深度。以上的测试都是控制在27摄氏度的环境下进行的。微痕测试可以准确测得涂层失效的临界载荷（涂层附着力），摩擦系数和随深度变化的属性。3. 结果与讨论3.1TiB2基纳米涂层的结构特性 图1.样品1到样品8的TiB2涂层的XRD图谱 X射线衍射表明TiB2涂层在部清洗基体和偏置时（层样品1）有一个强烈的择优取向于（001）方向的六边形的结构（图1）。在Ti夹层中也发现了的如小的山峰一般的Ti。总所周知TiB2涂层在（001）方向上相比其他方向又最高的硬度12，尽管基体和TiB2层的界面方向也能影响强度等级13，14。没有基体偏置的所有涂层中都存在（001）取向（样品1，6，7）。但是沉积前的基体溅射清洗似乎减少了这种取向的程度（样品1和样品6，样品7对比）。然而随着基体建设清洁的时间从20分钟（样品6）增加到60分钟（样品7）略微提高了（001）取向。由于已知（001）取向产生最大的硬度，预计样品1，6，7的硬度能高于稍后讨论的不同取向的其他样品。 在沉积时采用了基体偏置（在沉积吸附原子和基质过程中增加吸附原子的能量和相互作用），TiB2涂层的取向大大的改变。参考图1 ，可以发现增加偏置功率使得（001）取向的变化逐渐减少，尤其是在样品4（偏置120W）和样品5（偏置150W）取向变为（101）。这种变化可能是因为吸附原子能量的增加，也许能解释稍后讨论到的观察到硬度降低的现象。但是，根据表1 ，有人指出一个小的偏置功率（30W）能导致比较高的附着力是因为减少了涂层中德残余压应力，残余压应力能影响涂层的附着力。 图2.样品2，6，8涂层的表面形态和断裂截面的FESEM图像用场发射扫描电子显微镜检测沉积涂层的形态和厚度。表1总结了涂层的厚度值。没有基体偏置时产生的厚度为700-800nm，但随着基体偏置的增加涂层的厚度会减少。图2 展示了用场发射扫面电子显微镜观察到的涂层的形态图片和所选样品断裂截面的图片。所有样品的截面结构都为柱状。晶粒尺寸都为纳米级别，小于表1中全面总结的平均经历尺寸50nm。许多晶粒和其他的相比有明确界限。样品6（图2(b)）和8（图2(c)）包括圆柱状和圆形形态，这种情况可以用由于晶粒在生长过程中受到周围晶体的限制来解释。在样品8的涂层上观察到微裂痕。图2(a)上的是由基体偏置产生的涂层的形态和截面。很明显的是在晶界出蠕虫状的孔隙取代大部分圆形晶体。这标志着偏置时复合涂层的形貌已经改变，可能导致力学性能的改变，例如硬度和模量。3.2纳米测试目前，在不同取向和不同条件下生产的TiB2基纳米涂层有一个广泛的硬度和模量取值。一般期待（001）取向的TiB2应该能够表现出最高的强度和模量。为了评估涂层的力学性能，即，硬度和模量，为减少基体的影响所有样品都在50nm渗透深度下测试。图3是样品1、2、8的典型载荷位移曲线。硬度和模量用表1中提及的纳米压痕来测量。 图3.样品1，2，8穿透深度为50nm时的载荷位移曲线能够看出，以（101）为取向的涂层经偏置后硬度和模量变得相对较低（表1）并且在压痕过程中形成有效的塑性变形（例如，图3中的样品2）。以（001）为取向的经偏置后的涂层（例如，图3中的样品1）在卸载阶段存在有效的弹性复原，拥有大约30Gpa的强度，300到320Gpa之间的模量。沉积前清洗溅射基体似乎能略微增加涂层的硬度，但是（001）取向的程度有所降低。由此可见在沉积期间（3h）应用基体偏置能大大降低涂层的硬度和弹性模量。为了获得合理的高硬度和弹性模量，TiB2涂层保持它的（001）择优取向是必不可少的。进一步沉积，在沉积第一个小时应用基体偏置；接着不偏置沉积2小时（样品8）.结果显示，这个涂层有着良好的弹性回复能力（图3），有最高的硬度和弹性模量。增强（001）取向（图1 ）以及提高了涂层基体的附着力能解释产生这个现象的原因。3.3微痕测试图4展示了TiB2涂层随载荷先行增加残生的典型划痕曲线。可以看出随着载荷增加划痕线性增加的过程中划痕的轮廓。图4中德剖面图可以被分成几个区域。第一，A到B区域是0.25 mN载荷下的预扫描，没有划痕损伤产生，BS 、DS 和AS情况下 有同样的形貌。第二，B到C的区域随着载荷的增加DS剖面线性增加。然而，在显示TiB2涂层弹性恢复能力阶段里没有塑性变形和物料损耗发生。注意到，C点后面开始有塑性变形和物料损失。从C区域到D区域，直到D点为止剖面图比较流畅。 图4.线性增加负载时沉积的TiB2涂层微痕曲线显然，DS和AS剖面的D点上有变动。根据SEM和AFM扫描图片（图5）取人TiB2涂层已经被破坏。因此，D点的划痕载荷可以被认为是涂层失效的临界载荷。表1中列出了所有涂层的临界载荷值。可以看出，没有基体偏置的涂层（样品1，6，7）虽然表现出高的硬度，临界载荷降低，这表明涂层黏附强度变差。此外，发现基体溅射清洁有助于提高涂层的附着力。另一方面，尽管这些涂层的硬度较低但是涂层经基体偏置后能提高临界载荷值，特别是低偏置功率时（30W）。 图5.SEM和AFM图像显示在临街载荷处（箭头所指）涂层失败为了获得较高的硬度和足够的附着力，样品8经过基体溅射清洁，基体偏置后沉积1小时，接着无偏置沉积2小时。合成涂层显示出强的（001）择优取向（图1），非常高的硬度（43.5Gpa）和高的临界载荷值（表1）。从这些结果来看，尽管还无法解释该样品展示的高硬度的原因，但很明