專利名稱：一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷/陶瓷/金屬納米多層薄膜的制備方法，特別是涉及一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
高硬度多層薄膜，特別是氮化物多層薄膜體系，它們的高硬度在材料組合上的多樣性和其性能上的可選擇性，展示了這類薄膜在包括工具薄膜和裝飾薄膜在內(nèi)的各種表面強化和表面改性領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。TiN單層膜是氮化物薄膜中被研究的最早和應(yīng)用最廣泛的薄膜之一。作為多層膜的組成材料，TiN具有優(yōu)異的力學(xué)性能，晶體結(jié)構(gòu)為面心立方；AlN具有優(yōu)良的耐蝕性，穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu)，但在TiN層上沉積AlN時，當(dāng)AlN層薄到一定程度會以亞穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)存在，與TiN層形成共格外延生長，達(dá)到超硬的效果。AlN層的加入，使薄膜在腐蝕或氧化過程中生成的Al2O3更好的保護(hù)薄膜，提高薄膜的耐腐蝕、耐高溫氧化性能。純金屬鎳具有良好的塑性，金屬與氮化物的晶體結(jié)構(gòu)及滑移系的不同，對位錯的移動和裂紋的擴(kuò)展起阻礙作用，將引起硬度的升高；塑性良好的金屬與高硬度的氮化物交替形成的層狀結(jié)構(gòu)，軟金屬可以減緩高硬度層的剪切應(yīng)力或殘余應(yīng)力，對薄膜的韌性、結(jié)合強度和耐磨性有益。陶瓷/金屬納米多層薄膜體系中研究最多的為TiN/Ti和CrN/Cr等，其多層薄膜在沉積過程中需要頻繁的調(diào)節(jié)氮氣分壓，操作不便，且效率低。針對以上問題，本發(fā)明利用反應(yīng)磁控共濺射鍍膜系統(tǒng)，在不改變氮氣分壓的情況下，通過控制鈦靶、鋁靶和鎳靶擋板打開時間控制各單層薄膜的厚度來交替沉積TiN/AlN/M納米多層薄膜，提高了精度的同時也提高了工作效率，為生產(chǎn)線連續(xù)作業(yè)提供了可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法。該方法系一種反應(yīng)磁控共濺射方法沉積的高硬度、高韌性、高結(jié)合強度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化的TiN/AlN/M納米多層薄膜的制備方法。該薄膜可應(yīng)用于工模具的表面或作為裝飾薄膜應(yīng)用于鐘表、首飾等產(chǎn)品，屬于表面強化或表面改性領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，其所述一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，包括以下步驟
a.選鋼材作為基體，基體表面經(jīng)砂紙研磨并拋光后，分別用丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗，烘干后裝入真空室準(zhǔn)備鍍膜；
b.鍍膜設(shè)備選用反應(yīng)磁控共濺射鍍膜系統(tǒng)，純金屬鈦靶、純金屬鋁靶和純金屬鎳靶同時對準(zhǔn)上方中心處的基體，沉積多層薄膜前先將真空室抽真空，然后通入高純氬氣，在基體上沉積一層金屬鈦層，其沉積工藝條件為鈦靶功率4(Γ150瓦，基體負(fù)偏壓(Γ200伏，靶材與基體的距離6 12厘米，工作氣壓0. 2^1. 0帕，基體溫度為室溫飛00攝氏度，基體自轉(zhuǎn)速度為5 30轉(zhuǎn)每分鐘；
c.通過計算機(jī)精確控制靶材上擋板的打開時間進(jìn)行交替沉積TiN/AlN/M納米多層薄膜，其工藝條件為鈦靶功率4(Γ150瓦，鋁靶功率1(ΚΓ300瓦，鎳靶功率4(Γ100瓦；基體負(fù)偏壓(Γ200伏，氮氣分壓3 X 10_3 1. 1 X ΙΟ"1帕，靶材與基體的距離6 12厘米，工作氣壓 0.廣1.0帕，基體溫度為室溫 600攝氏度，調(diào)制比為廣10:廣3:廣3，調(diào)制周期為4 30納米， 基體自轉(zhuǎn)速度為5 30轉(zhuǎn)每分鐘；
d.鍍膜結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫即可。所述的一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，其所述的基體表面經(jīng)砂紙研磨并拋光至1. 0微米再分別用丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗15分鐘。所述的一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，其所述的沉積多層薄膜前先將真空室抽真空至6. OX 10_4帕，然后通入高純氬氣，在基體上沉積一層厚度為 20^50納米的金屬鈦層。本發(fā)明的優(yōu)點與效果是
本方法為一種高硬度、高韌性、高結(jié)合強度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化的TiN/AlN/M 納米多層薄膜的制備方法，采用反應(yīng)磁控共濺射鍍膜系統(tǒng)，不需要頻繁的調(diào)節(jié)氮氣分壓，既提高了效率也提高了精度，為生產(chǎn)線作業(yè)提供了可能。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明為一種反應(yīng)磁控共濺射方法沉積高硬度、高韌性、高結(jié)合強度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化的TiN/AlN/m納米多層薄膜的制備方法，該納米多層薄膜的制備以純金屬鈦靶(99. 99%)、純金屬鋁靶(99. 99%)和純金屬鎳靶(99. 99%)為靶材，靶材尺寸為 Φ60Χ3πιπι。純金屬鈦靶和純金屬鎳靶選用直流電源，純金屬鋁靶用射頻電源。先通入高純氬氣(99. 999%)沉積金屬鈦層后通入高純氮氣(99. 999%)并以高純氮氣為反應(yīng)氣體，通過控制鈦靶、鋁靶和鎳靶擋板打開時間控制各單層薄膜的厚度來交替沉積TiN/AlN/M納米多層薄膜。所得薄膜具備如下性能薄膜層狀結(jié)構(gòu)明顯，無界面混淆現(xiàn)象，硬度達(dá)36. 5吉帕，結(jié)合強度達(dá)165牛，韌性、耐磨性、耐腐蝕性和耐高溫氧化性能均優(yōu)于TiN單層薄膜。本發(fā)明TiN/AlN/Ni納米多層薄膜的制備方法，包括以下過程
首先選用高速鋼和不銹鋼作為基體，基體表面經(jīng)砂紙研磨并拋光至1.0微米后，分別用丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗15分鐘，烘干后裝入真空室準(zhǔn)備鍍膜。鍍膜設(shè)備選用反應(yīng)磁控共濺射鍍膜系統(tǒng)，純金屬鈦靶、純金屬鋁靶和純金屬鎳靶同時對準(zhǔn)上方中心處的基體，沉積多層薄膜前先將真空室抽真空至6. OX 10_4帕，然后通入高純氬氣，在基體上沉積一層厚度為2(Γ50納米的金屬鈦層，以提高結(jié)合強度。具體沉積工藝為鈦靶功率4(Γ150 瓦，基體負(fù)偏壓(Γ200伏，靶材與基體的距離6 12厘米，工作氣壓0. 2^1. 0帕，基體溫度為室溫飛00攝氏度，基體自轉(zhuǎn)速度為廣30轉(zhuǎn)每分鐘。通過計算機(jī)精確控制靶材上擋板的打開時間進(jìn)行交替沉積TiN/AlN/M納米多層薄膜。具體參數(shù)為鈦靶功率4(Γ150瓦，鋁靶功率100 300瓦，鎳靶功率40 100瓦?；w負(fù)偏壓(Γ200伏，氮氣分壓3 X 10_3 1. IX 10-1帕， 靶材與基體的距離6 12厘米，工作氣壓0. Γ1. 0帕，基體溫度為室溫飛00攝氏度，調(diào)制比為(1~10) (1~3)(1~3)，調(diào)制周期為4 30納米，基體自轉(zhuǎn)速度為5 30轉(zhuǎn)每分鐘。鍍膜結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。實施例1
1選用高速鋼和不銹鋼作為基體，基體表面經(jīng)砂紙研磨并拋光至1. O微米后，分別用丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗15分鐘，烘干后裝入真空室準(zhǔn)備鍍膜。2鍍膜設(shè)備選用直流反應(yīng)磁控共濺射鍍膜系統(tǒng)，純金屬鈦靶和純金屬鎳靶同時對準(zhǔn)上方中心處的基體，沉積多層薄膜前先將真空室抽真空至6. OX 10_4帕，然后通入氬氣， 在基體上沉積一層厚度為20納米的金屬鈦層，以提高結(jié)合強度。具體沉積工藝為鈦靶功率60瓦，基體負(fù)偏壓70伏，靶材與基體的距離6厘米，工作氣壓0. 5帕，基體溫度為150攝氏度，基體自轉(zhuǎn)速度為15轉(zhuǎn)每分鐘。3通過計算機(jī)精確控制靶材上擋板的打開時間進(jìn)行交替沉積TiN/AlN/Ni納米多層薄膜。具體參數(shù)為鈦靶功率50瓦，鋁靶功率150瓦，鎳靶功率40瓦?；w負(fù)偏壓100 伏，氮氣分壓5X 10_2帕，靶材與基體的距離6厘米，工作氣壓0. 3帕，基體溫度為150攝氏度，調(diào)制比為2:1:1，調(diào)制周期為4納米，基體自轉(zhuǎn)速度為15轉(zhuǎn)每分鐘。鍍膜結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。實施例2:
1選用高速鋼和不銹鋼作為基體，基體表面經(jīng)砂紙研磨并拋光至1. O微米后，分別用丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗15分鐘，烘干后裝入真空室準(zhǔn)備鍍膜。2鍍膜設(shè)備選用直流反應(yīng)磁控共濺射鍍膜系統(tǒng)，純金屬鈦靶和純金屬鎳靶同時對準(zhǔn)上方中心處的基體，沉積多層薄膜前先將真空室抽真空至6. OX 10_4帕，然后通入氬氣， 在基體上沉積一層厚度為50納米的金屬鈦層，以提高結(jié)合強度。具體沉積工藝為鈦靶功率40瓦，基體負(fù)偏壓120伏，靶材與基體的距離8厘米，工作氣壓1. O帕，基體溫度為300 攝氏度，基體自轉(zhuǎn)速度為20轉(zhuǎn)每分鐘。3通過計算機(jī)精確控制靶材上擋板的打開時間進(jìn)行交替沉積TiN/AlN/Ni納米多層薄膜。具體參數(shù)為鈦靶功率90瓦，鋁靶功率100瓦，鎳靶功率70瓦?；w負(fù)偏壓180 伏，氮氣分壓3X 10_3帕，靶材與基體的距離8厘米，工作氣壓0. 8帕，基體溫度為300攝氏度，調(diào)制比為8:1:2，調(diào)制周期為22納米，基體自轉(zhuǎn)速度為20轉(zhuǎn)每分鐘。鍍膜結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。實施例3:
1選用高速鋼和不銹鋼作為基體，基體表面經(jīng)砂紙研磨并拋光至1. O微米后，分別用丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗15分鐘，烘干后裝入真空室準(zhǔn)備鍍膜。2鍍膜設(shè)備選用直流反應(yīng)磁控共濺射鍍膜系統(tǒng)，純金屬鈦靶和純金屬鎳靶同時對準(zhǔn)上方中心處的基體，沉積多層薄膜前先將真空室抽真空至6. OX 10_4帕，然后通入氬氣， 在基體上沉積一層厚度為30納米的金屬鈦層，以提高結(jié)合強度。具體沉積工藝為鈦靶功率80瓦，基體負(fù)偏壓200伏，靶材與基體的距離10厘米，工作氣壓0. 8帕，基體溫度為500 攝氏度，基體自轉(zhuǎn)速度為25轉(zhuǎn)每分鐘。3通過計算機(jī)精確控制靶材上擋板的打開時間進(jìn)行交替沉積TiN/AlN/Ni納米多層薄膜。具體參數(shù)為鈦靶功率150瓦，鋁靶功率250瓦，鎳靶功率100瓦?；w負(fù)偏壓80 伏，氮氣分壓2. 1 X ΙΟ"1帕，靶材與基體的距離10厘米，工作氣壓0. 6帕，基體溫度為500攝氏度，調(diào)制比為3:2:1，調(diào)制周期為6納米，基體自轉(zhuǎn)速度為25轉(zhuǎn)每分鐘。鍍膜結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。
權(quán)利要求
1.一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，其特征在于，所述一種氮化鈦/ 氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，包括以下步驟a.選鋼材作為基體，基體表面經(jīng)砂紙研磨并拋光后，分別用丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗，烘干后裝入真空室準(zhǔn)備鍍膜；b.鍍膜設(shè)備選用反應(yīng)磁控共濺射鍍膜系統(tǒng)，純金屬鈦靶、純金屬鋁靶和純金屬鎳靶同時對準(zhǔn)上方中心處的基體，沉積多層薄膜前先將真空室抽真空，然后通入高純氬氣，在基體上沉積一層金屬鈦層，其沉積工藝條件為鈦靶功率4(Γ150瓦，基體負(fù)偏壓(Γ200伏，靶材與基體的距離6 12厘米，工作氣壓0. 2^1. 0帕，基體溫度為室溫飛00攝氏度，基體自轉(zhuǎn)速度為5 30轉(zhuǎn)每分鐘；c.通過計算機(jī)精確控制靶材上擋板的打開時間進(jìn)行交替沉積TiN/AlN/M納米多層薄膜，其工藝條件為鈦靶功率4(Γ150瓦，鋁靶功率1(ΚΓ300瓦，鎳靶功率4(Γ100瓦；基體負(fù)偏壓(Γ200伏，氮氣分壓3Χ 10_3 1. 1 X ΙΟ"1帕，靶材與基體的距離6 12厘米，工作氣壓 0.廣1.0帕，基體溫度為室溫 600攝氏度，調(diào)制比為廣10:廣3:廣3，調(diào)制周期為4 30納米， 基體自轉(zhuǎn)速度為5 30轉(zhuǎn)每分鐘；d.鍍膜結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，其特征在于，所述的基體表面經(jīng)砂紙研磨并拋光至1.0微米再分別用丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗15分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，其特征在于，所述的沉積多層薄膜前先將真空室抽真空至6. 0 X ΙΟ"4帕，然后通入高純氬氣，在基體上沉積一層厚度為2(Γ50納米的金屬鈦層。
全文摘要
一種氮化鈦/氮化鋁/鎳納米多層薄膜的制備方法，涉及一種陶瓷/陶瓷/金屬納米多層薄膜的制備方法，包括以下步驟選鋼材作為基體，基體表面研磨并拋光后，用超聲波清洗，烘干后鍍膜；沉積多層薄膜前先將真空室抽真空，然后通入高純氬氣，在基體上沉積一層金屬鈦層，通過計算機(jī)精確控制靶材上擋板的打開時間進(jìn)行交替沉積TiN/AlN/Ni納米多層薄膜，鍍膜結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫即可。該方法系一種反應(yīng)磁控共濺射方法沉積的高硬度、高韌性、高結(jié)合強度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化的TiN/AlN/Ni納米多層薄膜的制備方法。該薄膜可應(yīng)用于工模具的表面或作為裝飾薄膜應(yīng)用于鐘表、首飾等產(chǎn)品，屬于表面強化或表面改性領(lǐng)域。
文檔編號C23C14/35GK102337508SQ20111032401
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者劉巖, 婁德元, 張金林, 才慶魁, 李海松, 楊雪飛, 王建明, 白瑩瑩, 賀春林, 馬國峰 申請人:沈陽大學(xué)