TiN/SiO的製作方法

2023-04-24 10:54:11

專利名稱：TiN/SiO的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種金屬或者陶瓷薄膜及其製備方法，特別是一種TiN/SiO2納米多層膜及其製備方法，用於陶瓷薄膜技術領域。
背景技術：
切削速度≥100m/min的高速切削及乾式切削由於其機械加工效率高，環境汙染少，正日益成為切削技術發展的主流，這種加工技術對刀具塗層的性能提出了更高的要求。不僅要求刀具塗層硬度高，摩擦係數小，而且還需具有較高的抗氧化能力。現有的刀具塗層尚未全面滿足這些要求。如TiN塗層，硬度HV25±2GPa，氧化溫度約為500℃；TiCN塗層的硬度高達HV40，抗氧化溫度卻只有400℃；目前最佳的TiAlN塗層硬度為HV35±5GPa，抗氧化性能可達800℃，但仍不能滿足高速切削和乾式切削苛刻服役條件的需要。由於具有優良的高溫化學穩定性，氧化物陶瓷被公認為最具有潛在應用前景的硬質塗層，遺憾的是氧化物塗層的力學性能，尤其是硬度遠不及氮化物，單獨作為刀具塗層使用效果不佳。
經對現有技術的檢索發現，目前已有的報導和專利(如美國專利US6565957，US6638571，US5766782和中國專利95108982.X等)中將Al2O3陶瓷和其它硬質材料，如TiN，TiC，TiCN和(Ti，Al)N等一起使用形成複合塗層或多層膜結構，其中Al2O3陶瓷用來提供塗層的高溫抗氧化性。儘管上述含氧化物塗層在很大程度上提高了塗層的高溫抗氧化性，但是其硬度有所下降，影響了塗層功能的有效發揮。另一方面，20世紀90年代發現在由兩種材料以納米量級交替沉積形成的納米多層膜中存在著硬度異常升高的超硬效應。此類薄膜由兩種剪切模量不同的材料組成，藉助於界面對位借移動及裂紋擴展的阻滯作用，可使薄膜的硬度、彈性模量和斷裂強度等力學性能在很大程度上得到提高。
William D.Sproul在《SCIENCE》1996，273(16)889-892上發表文章「NewRoutes in the preparation of mechanically hard films」(《科學》雜誌，「力學硬質薄膜製備的新途徑」)，指出可藉助於納米多層膜硬度異常升高的超硬效應來製備氧化物多層膜或氧化物與氮化物組成的多層膜，使其同時具有高的硬度和優異的抗氧化性能。該領域的科技人員作了大量的試驗和研究，然而迄今為止尚沒有成功的報導。在對現有技術進一步檢索和分析中，至今尚沒有發現和本發明技術主題相同或者相似的報導。

發明內容
本發明的目的在於克服現有氮化鈦基多層膜高溫抗氧化性能的不足，提供一種TiN/SiO2納米多層膜及其製備方法。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明TiN/SiO2納米多層膜由TiN層和SiO2層交替沉積在基體上組成，基體為金屬或陶瓷。其中TiN層的厚度為2～9nm，SiO2層的厚度為0.45～1.2nm，納米多層膜的總厚為2～6μm。
本發明納米多層膜通過控制SiO2層的厚度，使SiO2層在小於1.2nm時，藉助於TiN層的晶體結構產生晶化，並與TiN層共格外延生長，形成多晶超晶格結構。這種結構特徵使得納米多層膜呈現硬度和彈性模量升高的超硬效應，多層膜的硬度高於33GPa，最高硬度達到45GPa。
本發明的TiN/SiO2超硬納米多層膜的製作工藝如下首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，然後通過在金屬或陶瓷的基體上採用雙靶射頻濺射方法交替沉積TiN層和SiO2層，製取TiN/SiO2納米多層膜，其中TiN和SiO2材料採用濺射靶材提供。
所述的雙靶射頻濺射，其TiN靶和SiO2靶分別由獨立的射頻陰極控制。
所述的雙靶射頻濺射，其濺射氣體為Ar，分壓為PAr＝1.7～9.0×10-1Pa。
所述的雙靶射頻濺射，通過基體在TiN和SiO2靶前交替停留獲得具有成分調製結構的納米多層膜，每一層的厚度由濺射靶的功率及基體在靶前的停留時間控制。
所述的濺射靶的功率及基體在靶前的停留時間分別為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間為10～100秒，SiO2靶濺射功率為30～120W，沉積時間為5秒。
所述的基體，其溫度為室溫～300℃。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明將具有優良高溫抗氧化性能的SiO2陶瓷引入到多層膜材料體系中，通過結構優化設計，使該種薄膜在具有氧化物陶瓷固有高溫抗氧化性能的同時，獲得高硬度的優異力學性能。本發明所得多層薄膜的最高硬度可達45GPa，最高彈性模量可達460GPa，在高速切削刀具、高溫條件下服役的模具以及其它耐磨工件上具有很大的應用價值。


圖1本發明TiN/SiO2高硬度納米多層膜結構示意圖。
圖中SiO2層1、TiN層2、基體3。
具體實施例方式
如圖1所示，該納米多層膜由SiO2層1和TiN層2交替沉積在金屬或陶瓷的基體3上組成，SiO2層1的厚度為0.45～1.2nm，TiN層2的厚度為2～9nm，納米多層膜的總厚度為2～6μm。
SiO2層1在小於1.2nm時，形成多晶超晶格結構。
以下結合本發明的內容提供實施實例實例一本發明TiN/SiO2多層膜的製作方法的具體工藝參數為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間為15秒，SiO2靶濺射功率為30W，沉積時間為5秒，基體溫度為室溫。由此得到的TiN/SiO2多層膜中TiN層的厚度為2.2nm，SiO2層厚為0.45nm，薄膜的硬度為33GPa。
實例二本發明TiN/SiO2多層膜的製作方法的具體工藝參數為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間為15秒，SiO2靶濺射功率為40W，沉積時間為5秒，基體溫度為200℃。由此得到的TiN/SiO2多層膜中TiN層的厚度為2.2nm，SiO2層厚為0.6nm，薄膜的硬度為45GPa。
實例三本發明TiN/SiO2多層膜的製作方法的具體工藝參數為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間為15秒，SiO2靶濺射功率為60W，沉積時間為5秒，基體溫度為100℃。由此得到的TiN/SiO2多層膜中TiN層的厚度為2.2nm，SiO2層厚約為1.2nm，薄膜的硬度為33.5GPa。
實例四本發明TiN/SiO2多層膜的製作方法的具體工藝參數為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間為60秒，SiO2靶濺射功率為40W，沉積時間為5秒，基體溫度為150℃。由此得到的TiN/SiO2多層膜中TiN層的厚度為9nm，SiO2層厚約為0.6nm，薄膜的硬度為37GPa。
實例五本發明TiN/SiO2多層膜的製作方法的具體工藝參數為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間為15秒，SiO2靶濺射功率為50W，沉積時間為5秒，基體溫度為300℃。由此得到的TiN/SiO2多層膜中TiN層的厚度為2.0nm，SiO2層厚為0.7nm，薄膜的硬度為44GPa。
權利要求
1.一種TiN/SiO2納米多層膜，其特徵在於，由SiO2層(1)和TiN層(2)交替沉積在金屬或陶瓷基體(3)上形成，SiO2層(1)的厚度為0.45～1.2nm，TiN層(2)的厚度為2～9nm，納米多層膜的總厚度為2-6μm。
2.根據權利要求1所述的TiN/SiO2納米多層膜，其特徵是，SiO2層(1)在小於1.2nm時，形成多晶超晶格結構。
3.一種TiN/SiO2多層膜的製作方法，其特徵在於，首先將金屬或陶瓷基體(3)表面作鏡面拋光處理，然後通過在金屬或陶瓷的基體(3)上採用雙靶射頻濺射方法交替沉積TiN層(2)和SiO2層(1)，製取TiN/SiO2納米多層膜，其中TiN和SiO2材料採用濺射靶材提供。
4.根據權利要求3所述的TiN/SiO2多層膜的製作方法，其特徵是，所述的雙靶射頻濺射，其濺射氣體為Ar，分壓為PAr＝1.7～9.0×10-1Pa。
5.根據權利要求3所述的TiN/SiO2多層膜的製作方法，其特徵是，所述的雙靶射頻濺射，通過基體(3)在TiN和SiO2靶前交替停留獲得具有成分調製結構的納米多層膜，每一層的厚度由濺射靶的功率及基體在靶前的停留時間控制。
6.根據權利要求5所述的TiN/SiO2多層膜的製作方法，其特徵是，所述的濺射靶的功率及基體(3)在靶前的停留時間分別為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間為10～100秒，SiO2靶濺射功率為30～120W，沉積時間為5秒。
7.根據權利要求3所述的TiN/SiO2多層膜的製作方法，其特徵是，所述的基體(3)，其溫度為室溫～300℃。
全文摘要
一種TiN/SiO
文檔編號C23C14/06GK1587434SQ200410053490
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月5日 優先權日2004年8月5日
發明者李戈揚, 魏侖, 許輝, 胡祖光, 梅芳華, 祝新發, 袁家棟 申請人:上海交通大學, 上海工具廠有限公司