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4.2.3 TiN薄膜的表面形貌分析 15
4.2.4 TiN薄膜的硬度分析 16
4.3 最佳工艺条件下制备TiN薄膜的XRD分析 17
4.4 N2分压对TiAlN薄膜表面形貌的影响 18
4.5 N2分压对TiAlN 薄膜厚度的影响 19
4.6 N2分压对TiAlN薄膜硬度的影响 19
4.7 TiN和TiAlN薄膜的力学性能比较 20
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
绪论
1.1 课题背景
20世纪80年代以来，随着科学技术的发展，传统工具已不能满足更为严格的工业生产要求，人们迫切需要一种高硬度、高强度、高耐磨损材料涂层。因此，TiN涂层以其优异的机械性能得到广泛的应用，并由此引发了工具表面处理技术的一场革命。此后，在TiN薄膜的研究基础上，各种硬质薄膜的研究层出不穷。其中，TiAlN膜层以其优异的力学性能备受青睐，如今已经成为研究最为热门的硬质薄膜涂层之一。但是，传统的沉积工艺制备TiAlN薄膜时，由于弧流的不稳定等因素，膜层表面易产生大颗粒，从而降低薄膜表面的平整度，严重影响薄膜的耐磨性。因此，需要找到一种适合制备TiAlN薄膜的沉积工艺。
目前，沉积TiAlN膜层时较多采用Al-Ti合金靶，其主要原因是合金靶材具有较高的熔点（与纯Al、Ti分离靶相比），沉积过程中可以降低大颗粒的产生。但是，Al-Ti合金靶也有其明显不足，首先价格比较昂贵，其次工艺可重复性变差，严重影响后续薄膜性能的评定。
因此，本文采用分离靶（双金属靶）形式的真空电弧蒸发法，辅以直流磁分离技术，制备出TiN、TiAlN超硬膜。改变工艺条件，沉积多组TiN、TiAlN薄膜，并通过一定的分析和表征手段对薄膜的表面形貌、晶体结构、机械-力学性能进行综合评定，确定最佳工艺参数。
1.2 真空镀膜技术
1.2.1 真空镀膜技术的发展
真空镀膜技术起始于20世纪30年代，40年代初步应用于工业生产，七、八十年代开始应用于工业化大规模生产。这一技术目前得到飞速发展，在包装、电子、宇航、烫金印刷等领域应用最为广泛。其主要原因是以真空技术为基础结合磁控、离子束、等离子体等一系列的新技术，利用PVD或CVD方法为科学研究与工业生产提供了新的制备工艺和装置[1,2]。
按照沉积原理真空镀膜技术可以分为以下三类：
（1）真空蒸发镀膜技术
真空蒸发镀膜技术发展最早，是目前应用最为广泛的一种制膜技术。该技术是在高真空条件下，通过加热蒸发源使靶材蒸发，逸出的蒸气粒子通过运输，直接到达基片表面上。由于基片表面温度较热蒸发源低，蒸气粒子凝结在基底表面而成膜。蒸发膜材所用的热源有很多种，其中，电子束热源近年来被广泛应用。这种热源具有较为明显的优点，首先其加热温度范围宽、能量大，加热效率高，其次，坩锅采用水冷模式，能较好的保护膜材不受污染，有利于提高膜的纯度[3]。
（2）真空离子束沉积技术
真空离子束沉积技术是在真空状态下，通过蒸发或溅射的方法，使靶材表面游离出金属原子，然后在高能电子的轰击下使其电离。这些离子在外加磁场的作用下聚焦到真空镀膜室的基底上。离子束沉积法制备金属氮化物超硬膜有其明显的优越性，其原因是有多方面的。首先，该技术不仅可以制备多元金属化合物，而且也可以改变物质的结构状态，能够按照人们的预期制备出性能符合标准的目标产物。其次，在沉积过程中能够对离子束进行精确的控制。研究表明等离子体的特殊性能能够在真空镀膜技术中充分展现，在电场作用下等离子体还能获得较高的能量，使粒子的自由度提高到10-1～102cm[4]。所以，真空离子束沉积技术是一种全新的制备超硬膜的方法，其制备工艺的最佳条件还有待进一步研究。