短脈沖HiPIMS工藝—超硬CrχN涂層&40.8Gpa

點睛

采用50μs短脈沖HiPIMS工藝，15sccmN2流速下制備的Cr_xN涂層，能有效避免因反應氣體導致的靶材中毒，維持高離化率和高離子轟擊。其硬度達到40.8GPa，且結(jié)合強度更高，磨損率更低。

引言

傳統(tǒng)直流磁控濺射技術(shù)制備的Cr_xN涂層存在柱狀晶、孔隙多、硬度偏低（通常15-18GPa）等問題。而HiPIMS技術(shù)因能產(chǎn)生高密度等離子體而備受關(guān)注，在反應性氣體（如N2）環(huán)境中，脈沖長度如何協(xié)同氣體流量，制備出高硬度膜層呢？

解析：

哈爾濱工業(yè)大學（深圳）材料科學與工程學院的柏等人采用新鉑科技（東莞）有限公司研發(fā)的定制化多功能等離子體沉積系統(tǒng)制備出高硬Cr_xN涂層。以“Influence of pulse length and N2 flow rate on Cr_xN coatings prepared by HiPIMS”為題發(fā)表在《Surface & Coatings Technology》上，其工藝參數(shù)如下：

1）基體：304不銹鋼，硅片；2）預處理：采用電弧增強輝光放電（AEGD）工藝；3）沉積工藝：靶材：Cr靶，直徑60.5mm。工作氣體：Ar和N?。工作氣壓：0.45Pa；平均靶功率：0.6kW；脈寬：100μs和50μs。基體偏壓：-100V。4）沉積過程：先沉積一層約100nm厚的純Cr過渡層，再在Ar/N?混合氣氛中沉積Cr_xN層，總厚度約為2μm?；w以20rpm的速度旋轉(zhuǎn)，靶基距為75mm。

圖1 不同HiPIMS放電時陰測得的電流波形，脈沖長度分別為(a)長脈沖（100μs）和(b)短脈沖（50μs）

圖1的放電電流波形對比了100μs和50μs脈沖下，不同N2流量時隨時間演變的峰值電流。在長脈沖（100μs）模式下，當N2流量較高（如35sccm）時，電流在脈沖中后期（50-100μs）出現(xiàn)顯著下降，這是典型的“靶材中毒”特征——靶面形成氮化物，二次電子發(fā)射被壓制，放電困難。相反，短脈沖（50μs）模式在電流達到峰值（約25μs）后便迅速終止，完好避開了中毒階段。這意味著短脈沖能維持每個脈沖周期內(nèi)的、純凈的金屬Cr濺射和高電離率。峰值電流得以保持（如65-68A），確保了等離子體中高濃度的Cr+離子。

圖2 (a)不同氮氣2流速和脈沖長度沉積的Cr_xN涂層的硬度，(b)彈性模量，(c)H/E，(d)H3/E2參數(shù)

無論哪種脈沖，硬度都隨N2流量先增后降，在15sccm時達到峰值。但短脈沖的硬度（40.8GPa）顯著高于長脈沖（38.56GPa）。更值得注意的是兩個韌性的相關(guān)參數(shù)：H/E（抗彈性變形能力）和H3/E2（抗塑性變形抗力），短脈沖涂層在這些數(shù)值上也是領(lǐng)·先的。15sccm的N2是形成高硬度Cr2N相的化學計量比窗口。短脈沖憑借其更高的離子通量，在膜層生長中施加了更強烈的離子轟擊。這產(chǎn)生了三大效果：細化晶粒；增加涂層致密度（無柱狀結(jié)構(gòu)）；引入有益殘余壓應力。三者共同作用，不僅提升了硬度，同時也提升了涂層的韌性（即更高的H3/E2值），使其在承受載荷時更不易開裂。

結(jié)論與延伸

1.用50us的短脈沖，能提前結(jié)束放電，這樣就能有效避免靶材“中毒”，還能一直維持住又高又穩(wěn)的等離子體密度和金屬離子通量。

2.100us的長脈沖，在氮氣流量較高的時候，靶材“中毒”幾乎是沒法避免的。這會讓離子轟擊的力度變?nèi)?，涂層容易長出粗大的柱狀晶，后面就會拖累涂層的力學性能和摩擦學性能。

3.在短脈沖（50us）+氮氣流量（15sccm）的條件下，做出來的Cr_xN涂層，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密、沒有那種柱狀的紋路，晶粒也更細小?？窟@些優(yōu)勢，涂層能達到40.8GPa的很高的硬度。