射頻磁控濺射法沉積SiC-Al薄膜的摩擦特性
【康沃真空網(wǎng)】利用射頻法非平衡磁控濺射設(shè)備在鈦合金板上沉積了非晶態(tài)SiC-Al薄膜。為了降低薄膜的摩擦系數(shù)，在薄膜中添加Al原子，同時(shí)Al也被選擇為中間過(guò)渡材料來(lái)提高界面結(jié)合強(qiáng)度和防止界面氧化。研究結(jié)果表明:薄膜摩擦系數(shù)隨著Al原子含量的增加而先減后增，并在Al含量為0.97%時(shí)達(dá)到z*小值。SiC-Al薄膜對(duì)SiC和Al2O3陶瓷材料的摩擦系數(shù)比對(duì)不銹鋼材料的摩擦系數(shù)低，但它與SUJ2軸承鋼之間的摩擦系數(shù)z*低，在0.04～0.07之間。當(dāng)把Al作為中間過(guò)渡材料時(shí)，SiC-Al薄膜的破壞壽命達(dá)到了20000循環(huán)以上，明顯改善了薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度;當(dāng)Al中間過(guò)渡層的厚度超過(guò)0.2μm以上時(shí)，薄膜破壞表現(xiàn)為磨損而不發(fā)生剝離現(xiàn)象。另外，薄膜的耐磨強(qiáng)度隨著Al含量的增加有所增強(qiáng)。
SiC具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐熱性和高的機(jī)械強(qiáng)度，它的硬度(Hv:3300)僅次于金剛石和C-BN等少數(shù)幾種材料。它可以作為保護(hù)涂層提高耐磨性和防腐蝕等?？梢杂贸Ｒ?jiàn)的薄膜沉積方法如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、熱絲輔助化學(xué)氣相沉積(HFCVD)、分子束外延(MBE)、物理氣相沉積(PVD)和磁控濺射等來(lái)沉積SiC薄膜，其中PVD法沉積的SiC薄膜有較低的摩擦系數(shù)，但與金屬基材的結(jié)合強(qiáng)度很差。而射頻(RF)非平衡磁控濺射由于能獲得很高的沉積速率而廣泛使用。利用RF非平衡磁控濺射法在Ti基材上沉積非晶態(tài)SiC薄膜材料，結(jié)果顯示:大大改善了Ti的耐磨性，而摩擦系數(shù)與類金剛石(DLC)薄膜基本相同(約0.13)。
為了進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，在SiC薄膜中摻雜Ti原子得到了摩擦系數(shù)0.04的SiC-2.6%Ti(質(zhì)量比)薄膜材料。本研究是在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種新的薄膜材料SiC-Al，通過(guò)在非晶體SiC薄膜中加入Al原子，研究Al原子的含量對(duì)SiC薄膜的摩擦系數(shù)的影響，以獲得更低的摩擦系數(shù)。通常為了改善界面強(qiáng)度所采用的方法有:①基材的表面處理，②在沉積中增加負(fù)偏壓，③對(duì)基材加熱以促進(jìn)原子在基材表面的流動(dòng)，④在薄膜中加入雜質(zhì)原子，⑤采用中間過(guò)渡層等。
本研究將采用中間過(guò)渡材料的方法解決界面結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題，由于在非平衡磁控濺射設(shè)備中裝入了SiC靶和Al靶，為了中間過(guò)渡材料和SiC-Al薄膜在同一真空中沉積，以保證高的界面結(jié)合強(qiáng)度和防止界面氧化，選擇Al作為中間過(guò)渡材料，并對(duì)該復(fù)合薄膜材料的界面強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
1、實(shí)驗(yàn)材料及方法
實(shí)驗(yàn)先把直徑Φ50mm的Ti-6Al-4V合金板的表面用#1000號(hào)砂紙研磨，再用拋光機(jī)拋光至鏡面，在丙酮中超聲波清洗10min。沉積SiC-Al薄膜所用設(shè)備為圖1所示的雙靶位非平衡磁控濺射設(shè)備，靶材為直徑Φ50mm的SiC靶和Al靶，試驗(yàn)片裝在載物臺(tái)上并調(diào)整好與靶子的距離。當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到5×10-4Pa時(shí)，通入Ar氣，壓力保持5×10-1Pa，對(duì)基材表面進(jìn)行等離子清洗10min。在SiC靶和Al靶上分別施加一定的電壓(或功率)，使雙靶同時(shí)向基材濺射，沉積有一定Al原子含量的SiC-Al薄膜。Al與SiC的原子含量是根據(jù)事先對(duì)單靶的沉積速率測(cè)定得到的，在實(shí)驗(yàn)中保持SiC靶位的距離和輸出功率不變而改變Al靶的輸出功率，進(jìn)而得到不同Al原子含量的SiC-Al薄膜。為了保證薄膜的均勻沉積，載物臺(tái)以10r/min的速度旋轉(zhuǎn)。
實(shí)驗(yàn)要先在基材表面沉積Al中間層，而Ti-6Al-4V基材表面形成的TiO2膜會(huì)影響薄膜的界面強(qiáng)度，大大減小界面的結(jié)合力，Al與TiO2能夠自發(fā)地發(fā)生原位置換反應(yīng)形成粘接相:
在該反應(yīng)中Gibbs自由能ΔG和焓ΔH為負(fù)值，在高能Al原子的轟擊下，很容易在基材表面自發(fā)進(jìn)行這一不可逆過(guò)程，同時(shí)放出大量的熱。在這個(gè)過(guò)程中形成了一個(gè)粘接相TiAl，它有可能很好地連接鈦合金與SiC-Al薄膜，消除了TiO2與SiC-Al薄膜的直接接觸。
薄膜沉積后使用觸針式表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)得薄膜厚度。用“Ball-On-Disk”摩擦試驗(yàn)機(jī)來(lái)評(píng)價(jià)SiC-Al薄膜的摩擦特性，摩擦副直徑Φ10mm的SiC球，球上施加2.94N的荷重，接觸點(diǎn)的動(dòng)半徑為16mm，滑動(dòng)速度為0.1m/s。在完成一定循環(huán)次數(shù)后，用光學(xué)顯微鏡觀察磨痕，同時(shí)用表面粗糙度儀測(cè)定磨耗斷面曲線。
圖1雙靶位非平衡磁控濺射系統(tǒng)
3、結(jié)論
通過(guò)使用雙靶位磁控濺射設(shè)備在Ti-6Al-4V合金上沉積了SiC-Al薄膜，著重研究了Al原子的濃度對(duì)SiC-Al薄膜的摩擦系數(shù)的影響以及Al中間層對(duì)界面強(qiáng)度的影響。
(1)當(dāng)用SiC作為摩擦副時(shí)，隨著薄膜中Al原子含量低于0.97%時(shí)，摩擦系數(shù)隨Al原子含量的增加逐步下降，而超過(guò)0.97%后，摩擦系數(shù)隨Al原子含量的增加而增加，0.97%時(shí)薄膜有z*低摩擦系數(shù)0.08。
(2)當(dāng)分別用SUJ2、SUS304以及SiC和Al2O3作為摩擦副時(shí)，SiC-0.97%薄膜與SUS304和Al2O3球之間的摩擦系數(shù)在0.1左右。通過(guò)摩擦系數(shù)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)表明SUJ2與SiC-0.97%薄膜之間的摩擦系數(shù)在0.04～0.07之間，確認(rèn)了這兩種材料之間有很低的摩擦系數(shù)。
(3)Al中間層很好地改善了Ti-6Al-4V合金與SiC-0.97%Al薄膜之間的界面強(qiáng)度，并且Al中間層的厚度超過(guò)0.2μm以上時(shí)，薄膜的破壞表現(xiàn)為磨損而不是剝離破壞，薄膜幾乎被磨光。
SiC具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐熱性和高的機(jī)械強(qiáng)度，它的硬度(Hv:3300)僅次于金剛石和C-BN等少數(shù)幾種材料。它可以作為保護(hù)涂層提高耐磨性和防腐蝕等?？梢杂贸Ｒ?jiàn)的薄膜沉積方法如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、熱絲輔助化學(xué)氣相沉積(HFCVD)、分子束外延(MBE)、物理氣相沉積(PVD)和磁控濺射等來(lái)沉積SiC薄膜，其中PVD法沉積的SiC薄膜有較低的摩擦系數(shù)，但與金屬基材的結(jié)合強(qiáng)度很差。而射頻(RF)非平衡磁控濺射由于能獲得很高的沉積速率而廣泛使用。利用RF非平衡磁控濺射法在Ti基材上沉積非晶態(tài)SiC薄膜材料，結(jié)果顯示:大大改善了Ti的耐磨性，而摩擦系數(shù)與類金剛石(DLC)薄膜基本相同(約0.13)。
為了進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，在SiC薄膜中摻雜Ti原子得到了摩擦系數(shù)0.04的SiC-2.6%Ti(質(zhì)量比)薄膜材料。本研究是在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種新的薄膜材料SiC-Al，通過(guò)在非晶體SiC薄膜中加入Al原子，研究Al原子的含量對(duì)SiC薄膜的摩擦系數(shù)的影響，以獲得更低的摩擦系數(shù)。通常為了改善界面強(qiáng)度所采用的方法有:①基材的表面處理，②在沉積中增加負(fù)偏壓，③對(duì)基材加熱以促進(jìn)原子在基材表面的流動(dòng)，④在薄膜中加入雜質(zhì)原子，⑤采用中間過(guò)渡層等。
本研究將采用中間過(guò)渡材料的方法解決界面結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題，由于在非平衡磁控濺射設(shè)備中裝入了SiC靶和Al靶，為了中間過(guò)渡材料和SiC-Al薄膜在同一真空中沉積，以保證高的界面結(jié)合強(qiáng)度和防止界面氧化，選擇Al作為中間過(guò)渡材料，并對(duì)該復(fù)合薄膜材料的界面強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
1、實(shí)驗(yàn)材料及方法
實(shí)驗(yàn)先把直徑Φ50mm的Ti-6Al-4V合金板的表面用#1000號(hào)砂紙研磨，再用拋光機(jī)拋光至鏡面，在丙酮中超聲波清洗10min。沉積SiC-Al薄膜所用設(shè)備為圖1所示的雙靶位非平衡磁控濺射設(shè)備，靶材為直徑Φ50mm的SiC靶和Al靶，試驗(yàn)片裝在載物臺(tái)上并調(diào)整好與靶子的距離。當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到5×10-4Pa時(shí)，通入Ar氣，壓力保持5×10-1Pa，對(duì)基材表面進(jìn)行等離子清洗10min。在SiC靶和Al靶上分別施加一定的電壓(或功率)，使雙靶同時(shí)向基材濺射，沉積有一定Al原子含量的SiC-Al薄膜。Al與SiC的原子含量是根據(jù)事先對(duì)單靶的沉積速率測(cè)定得到的，在實(shí)驗(yàn)中保持SiC靶位的距離和輸出功率不變而改變Al靶的輸出功率，進(jìn)而得到不同Al原子含量的SiC-Al薄膜。為了保證薄膜的均勻沉積，載物臺(tái)以10r/min的速度旋轉(zhuǎn)。
實(shí)驗(yàn)要先在基材表面沉積Al中間層，而Ti-6Al-4V基材表面形成的TiO2膜會(huì)影響薄膜的界面強(qiáng)度，大大減小界面的結(jié)合力，Al與TiO2能夠自發(fā)地發(fā)生原位置換反應(yīng)形成粘接相:
在該反應(yīng)中Gibbs自由能ΔG和焓ΔH為負(fù)值，在高能Al原子的轟擊下，很容易在基材表面自發(fā)進(jìn)行這一不可逆過(guò)程，同時(shí)放出大量的熱。在這個(gè)過(guò)程中形成了一個(gè)粘接相TiAl，它有可能很好地連接鈦合金與SiC-Al薄膜，消除了TiO2與SiC-Al薄膜的直接接觸。
薄膜沉積后使用觸針式表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)得薄膜厚度。用“Ball-On-Disk”摩擦試驗(yàn)機(jī)來(lái)評(píng)價(jià)SiC-Al薄膜的摩擦特性，摩擦副直徑Φ10mm的SiC球，球上施加2.94N的荷重，接觸點(diǎn)的動(dòng)半徑為16mm，滑動(dòng)速度為0.1m/s。在完成一定循環(huán)次數(shù)后，用光學(xué)顯微鏡觀察磨痕，同時(shí)用表面粗糙度儀測(cè)定磨耗斷面曲線。
圖1雙靶位非平衡磁控濺射系統(tǒng)
3、結(jié)論
通過(guò)使用雙靶位磁控濺射設(shè)備在Ti-6Al-4V合金上沉積了SiC-Al薄膜，著重研究了Al原子的濃度對(duì)SiC-Al薄膜的摩擦系數(shù)的影響以及Al中間層對(duì)界面強(qiáng)度的影響。
(1)當(dāng)用SiC作為摩擦副時(shí)，隨著薄膜中Al原子含量低于0.97%時(shí)，摩擦系數(shù)隨Al原子含量的增加逐步下降，而超過(guò)0.97%后，摩擦系數(shù)隨Al原子含量的增加而增加，0.97%時(shí)薄膜有z*低摩擦系數(shù)0.08。
(2)當(dāng)分別用SUJ2、SUS304以及SiC和Al2O3作為摩擦副時(shí)，SiC-0.97%薄膜與SUS304和Al2O3球之間的摩擦系數(shù)在0.1左右。通過(guò)摩擦系數(shù)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)表明SUJ2與SiC-0.97%薄膜之間的摩擦系數(shù)在0.04～0.07之間，確認(rèn)了這兩種材料之間有很低的摩擦系數(shù)。
(3)Al中間層很好地改善了Ti-6Al-4V合金與SiC-0.97%Al薄膜之間的界面強(qiáng)度，并且Al中間層的厚度超過(guò)0.2μm以上時(shí)，薄膜的破壞表現(xiàn)為磨損而不是剝離破壞，薄膜幾乎被磨光。
