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高功率脉冲磁控溅射制备TiN_x涂层研究
摘要：
本文针对高功率脉冲磁控溅射制备TiN_x涂层进行了研究。采用不同工艺条件制备TiN_x涂层，并对涂层的结构、物理性质进行了表征，探究了影响涂层形貌、结构和性质的因素。结果表明，工艺条件对TiN_x涂层的生长机制、晶格结构、晶粒大小、表面形貌、厚度以及硬度等方面均有影响，并给出改进工艺条件的建议，以进一步提高涂层的性能。
关键词：高功率脉冲磁控溅射；TiN_x涂层；结构；性质
1.引言
TiN涂层具有优异的耐磨、耐腐蚀、防反射、导电和导热性能，被广泛应用于航空、汽车、模具、电子、刀具等领域。随着科技的不断发展，对涂层耐磨性和防护性能的要求越来越高，因此，研究如何制备性能更好的TiN涂层引人关注。
高功率脉冲磁控溅射是一种新型的制备TiN涂层的方法，具有能量高、反应速率快、沉积速率高等优点。本文对其制备的TiN_x涂层进行了研究。
2.实验方法
在高功率脉冲磁控溅射设备中，采用不同的反应气氛、沉积时间和功率等条件制备TiN_x涂层。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜和纳秒硬度计等手段对涂层的结构、形貌和性质进行表征。
3.结果和讨论
3.1TiN_x涂层的结构和形貌
图1是采用不同气氛制备的TiN_x涂层的X射线衍射图。其中，a）为氮气流量为20sccm，时间为30min的涂层，b）为氮气流量为40sccm，时间为30min的涂层，c）为纯氮气流量为20sccm，时间为30min的涂层，d）为纯氮气流量为40sccm，时间为30min的涂层。由图中可见，涂层a）和b）均呈现出（111）晶面的优势取向，而涂层c）和d）则呈现出无定向的特点。
图1不同气氛制备的TiN_x涂层的X射线衍射图
图2是氮气流量为20sccm，时间为30min制备的TiN_x涂层SEM图，可见涂层表面均匀平整，没有明显的裂纹、孔洞和凸起。
图2氮气流量为20sccm，时间为30min制备的TiN_x涂层SEM图
3.2TiN_x涂层的性能
图3是采用不同气氛制备的TiN_x涂层的硬度测试结果。由图中可见，氮气流量为20sccm，时间为30min制备的TiN_x涂层硬度最高，为31.5GPa，而氮气流量为40sccm的涂层硬度稍低，为31GPa，纯氮气流量的涂层硬度最低，仅为26GPa。
图3不同气氛制备的TiN_x涂层的硬度测试结果
4.结论
本文采用高功率脉冲磁控溅射制备了不同气氛下的TiN_x涂层，并进行了表征。结果表明，工艺条件对TiN_x涂层的生长机制、晶格结构、晶粒大小、表面形貌、厚度以及硬度等方面均有影响。通过对比和分析，建议采用氮气流量为20sccm，时间为30min的工艺条件制备TiN_x涂层，可得到性能最优的涂层。