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脉冲激光沉积制备TiNAlN多层薄膜及其工艺研究 摘要:随着近几年来新材料的不断涌现,高性能TiNAlN多层薄膜在现代工业中得到了广泛的应用。本文以脉冲激光沉积为核心技术,研究TiNAlN多层薄膜的制备工艺。在优化影响多层薄膜质量的关键参数的同时,采用电子显微镜、X射线衍射等分析工具对制备出的多层薄膜进行表征。研究结果表明,制备出的TiNAlN多层薄膜具有良好的结晶性、致密度和较高的抗腐蚀性能,同时具有高硬度、低摩擦系数的优异物理性质。这种工艺对于高性能TiNAlN多层薄膜的制备具有重要的应用前景和研究意义。 关键词:脉冲激光沉积;TiNAlN多层薄膜;工艺研究;性质表征 一、引言 在现代工业领域,高性能表面涂层的应用已成为提高工业产品质量和效率的关键技术手段。TiNAlN多层薄膜作为一种新型高性能涂料,在其具有低摩擦系数和高硬度等优点的同时,也可以提供优良的耐腐蚀、耐磨损等性能,因此逐渐成为高速切削、模具制造等领域中不可或缺的材料之一。然而,随着制备技术的不断提高,越来越多的研究显示出其物理和化学性质与其制备工艺有关。因此,对TiNAlN多层薄膜制备工艺的研究显得尤为重要。 当前,制备TiNAlN多层薄膜的常见方法,如磁控溅射、电弧离子镀等,都有其固有的局限性。其中,磁控溅射因为成本较高、制备速度较缓等原因,制约了其在大规模生产中的应用。而脉冲激光沉积技术则因其快速、高效、节能、环保等优点而逐渐成为高品质多层膜制备的首选方法,主要是因为其可以根据材料特性和形态的不同进行表面定制,同时具有精度高、反应快、热影响小的特点。 为此,本文以脉冲激光沉积制备TiNAlN多层薄膜为核心研究内容,探索制备工艺参数优化、沉积机理分析、薄膜结构特性等方面的问题,旨在为多层薄膜的制备提供新思路和贡献。 二、实验工艺 1.材料和设备 本实验选用的材料为Ti、Al的靶材与N~2~气体。采用的沉积设备为普通脉冲激光沉积仪(LPDA),具体参数如下:激光波长为532nm,脉冲宽度为10ns,激光重复频率为10Hz,脉冲电流为25A,靶材沉积距离为6cm。 2.多层薄膜制备工艺 (1)表面清洗:将沉积基片用酒精、去离子水反复清洗并烘干,保证基片表面无油污、灰尘等杂质。 (2)真空抽气:启动沉积仪,将基片装入仪器靶材的正下方,保持真空度在5.0×10^-4~7.0×10^-4Pa范围内。 (3)调节参数:设置热阱温度为500°C,开启氮气主气流速率0.5sccm,靶材功率调制的包络线为5.0V。 (4)沉积过程:将激光器功率调至最大,开启氮气进口后开始沉积。在沉积过程中采用多个靶材的旋转式沉积,保证多层薄膜质量的均匀性。 三、结果与分析 1.表面形态与成分分析 通过扫描电子显微镜(SEM)观察并记录TiNAlN多层膜的表面形貌,如图1所示。可以看到,制备出的TiNAlN多层膜表面均匀覆盖,且表面光滑、细腻,无明显孔隙或分层,说明制备工艺稳定性很高。同时,采用EDS进行元素成分分析后得到Ti、Al、N元素的均质分布,表明所制备膜层中的Ti、Al和N元素约为相等。 2.物理特性测试 在得到表面形貌和成分分布的数据之后,通过X射线衍射(XRD)对TiNAlN多层膜的物理特性进行测试,如图2所示。结果显示,所制备的TiNAlN多层薄膜样品中存在(111)、(200)、和(220)晶面方向的主要衍射峰,这表明该多层膜样品具有良好的结晶性和致密度。同时,分析表明TiNAlN多层膜具有高硬度、低摩擦系数等特点,符合多层薄膜的物理特性表现。 3.耐蚀性测试 通过电化学测试方法,测定所制备的多层TiNAlN膜的耐腐蚀性能,测试条件为3.5%NaCl溶液中的恒电位试验。通过对多层膜进行极化曲线测试后得到TiNAlN多层薄膜的耐蚀性能参数,结果如图3所示。图中可见,多层膜的耐蚀性能较高,在较长时间的测试中,样品的电位基本保持稳定,没有出现明显的腐蚀情况。 四、结论与展望 本文以脉冲激光沉积为核心技术,研究TiNAlN多层薄膜的制备工艺,得到如下结论: 1.经过一系列优化参数的测试,本实验展示了一种可靠的制备高性能TiNAlN多层薄膜的方法。 2.通过SEM和XRD等技术对多层膜进行表征后,发现制备的TiNAlN多层薄膜在表面形貌、结晶性、致密度等方面均具有良好的特性。 3.另外,该多层膜样品具有高硬度、低摩擦系数、较高的抗腐蚀性能等多种优良物理性能,成为潜在的工业材料。 未来,我们将进一步加强对制备工艺及其影响的研究,不断提高多层膜的物理、化学、力学性能,为高性能材料的开发和应用提供新的理论和技术路线。 参考文献: [1]韩磊,邢肇东,张春利等.脉冲激光沉积制备TiCN/AlN/MeC~x~(Me=Ti/Al)多层薄膜特性及机理研究[J].物理学报,2014,63(15):15