膜/基結合強度的檢測方法及其裝置的製作方法

2023-10-06 19:49:24

專利名稱：膜/基結合強度的檢測方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明系屬於力學測試領域，即提供了一種薄膜與基材結合強度的檢測方法和檢測裝置。
薄膜技術在材料科學和工程發展中佔有很重要的地位，各類膜層無論其本身性能如何，都存在與基材的結合問題。為了評價膜層與基體的結合，許多人做了大量的研究工作，提出了不少測試方法，其中使用最廣泛的有聲發射劃痕機，三點，四點彎曲法，壓痕法，位伸法等，上述這些方法存在著如下問題1、由於膜層幹擾，膜/基硬度及硬度差幹擾，破膜信號不準確; 基材影響不易估計，膜層脫落判據不確切。此外，它們均依賴於數學計算，而目前所採用的各種計算模型較簡單，並僅僅根據整體材料的彈性理論計算，而膜/基體系本身應視為一個複合體系，因此，顯然不能反映出實際情況下，特別是摩擦磨損條件下膜層和基體的力學行為及結合情況。
為解決上述問題，本發明對已有的用於耐磨性評價的單擺衝擊裝置進行了改進，提供了一種對薄膜和基體結合性能予以較真實評價的檢測方法及其檢測裝置。
本發明所提供的檢測方法是利用單擺衝擊劃痕儀的劃頭以1-3m的速度划過帶有薄膜的平面樣品，在足夠的劃痕長度條件下，劃頭將依次與膜層表面接觸，進入表層，透過膜/基界面，侵入基材直至最深處後再以相反的過程掠出樣品表面，在此過程中可分別測出不同入侵深度劃痕的能量消耗和最大剪切力，基於膜/基界面的不連續性，在界面破壞時將出現切向力和能耗的突變，求出突變時對應的法向力和顯露膜/基界面單位長度所消耗的能量，前者定義為臨界法向力(Fnc)，後者稱為單位長度界面能耗(δ)，它們都可視為界面結合強度的判據。概言之，本發明所提供的檢測方法主要基於1、膜/基界面的不連續性，利用所測的能耗或切向力在破膜時出現的突變作為膜，基剝離的判據;2、扣除膜、基材各自的能耗而獲得一個與界面結合密切相關的結合能判據。
本發明所提供的專門用於上述方法的測試系統圖見配置方框

圖1，其主要特徵體現在可升降的樣品臺上，所述的樣品臺是由切向，法向承力板(即懸臂梁)、支架、應變片、緊固螺栓、上、下斜塊、底座組成，應變片分別沿水平和垂直方向貼放在承力板上，上下斜塊通過兩斜面相接而座落在帶滑軌的底座之中，下斜塊的水平移動是通過轉動手柄來旋轉絲槓而實現的。其中所述的擺錘的錘頭的端部被加成槽型，劃頭為三角形刀片，尖頭為90圓錐體，劃頭通過螺栓被固定在槽內。
下面結合附圖詳釋本發明所提供的實施例一種評價薄膜結合強度的檢測方法及其裝置附圖1為測試系統配置框圖附圖2為樣品臺的示意圖附圖3為樣品臺的俯視圖附圖4為擺錘端部筒圖附圖5為擺的衝擊劃痕及能量測量簡圖附圖1中的1為實驗條件，2為衝擊擺，3為能耗測量，4為劃後測量，5為光電耦合，6為切問力感受，7為法間力感受，8為動態電阻應變化，9為記憶示波器，10為函數記錄儀。
由圖2可見，本實施例由側板11，導軌12，下斜塊13，轉扭14，上斜塊15，表面板16，樣品板17，應變片18，限位板19，傳力板20，測力板21，組成，圖3示出擺錘端中的簡圖，1為擺錘，2為劃頭，3為緊固螺栓，4為槽，由圖3可見，錘端部被加工成槽型，劃頭為三角形刀片，尖頭經加工為90園錐體，劃頭是通過螺栓固定在擺錘上的。圖4所示是擺的衝擊劃痕及能耗測量筒圖，圖中的1為試樣，2為擺錘，3為擺杆，4為劃頭。
本實施例選擇了兩種膜/基複合體系(硬膜/硬基、硬膜/軟基)和基材作衝擊劃痕實驗。
試樣基材均經過研磨，拋光、寬度為40mm試樣片在厚度上的變化不應大於0.005mm，硬膜/硬基體系選用經規範化調質處理的高速鋼作基材，採用空心陰極(HCD)和磁控反應濺射(MRS)兩種工藝鍍TIN膜;硬膜/軟基體系選用不鏽鋼作基材，採用空心陰極鍍膜工藝，製備出三種厚度範圍(A、B、C)的TiN膜，測試時，將樣品放置在承力板上，調好可升降的樣品臺，使試樣表面與垂直狀態的劃頭尖端輕微接觸，此時千分表讀數作為臺升的基點。選擇初始擺角並依此確定記憶示波器的掃描時間，調整好掃描觸發系統，等高度變化使樣臺升起，自由釋放擺錘依次在樣品表面平行衝擊劃痕，得到不同長度的刻槽，對膜/基複合體分別實現透膜、破膜及深入底材等不同情況的測試。在劃痕過程中記錄下擺角θ的變化，切向力Ft及法向力Fn隨時向t的變化曲線。能耗測試時，在擺的正下方水平固定放置片狀試樣，仔細調節樣品到所需高度，當擺錘自初始角度θ。自由釋放下落沿弧形路徑運動時，固定在錘端的劃頭將在試樣表面衝擊劃出一條弧形溝槽。在劃痕過程中擺的能量損耗可根據功能原理由劃痕前後的擺角差計算出A＝-E＝MgLc(Cosθ-Cosθ)式中A為試樣對擺作功，E為擺的能量改變，MgLc為擺常數，θ為劃痕後測得的擺角。
力的測量和記錄時，試樣表面所受的切向力Ft和法向力Fn可由設置在試樣臺上的兩組獨立電阻應變片進行測量，每組包括兩個阻值為120Ω緊貼在切向和法向承力板兩則的應變片，各自與標準電阻構成兩個獨立的平衡電橋，通過一臺多通道動態電阻應變儀放大，輸出承力板受力時產生的微應變信號，以此為試樣受力的依據。
由上述方法和裝置獲得的膜/基體系劃痕實驗結果如下一、膜/基分離的標誌-突變。
圖6給出單一材料衝擊劃痕實驗所得典型的切向力、法向力隨時間變化曲線。Fn-i曲線基本呈對稱型隨劃痕尺寸的增長平穩變化，形狀大體相似;Ft-i曲線對稱性較差且隨痕槽尺寸增長形狀有變化，但峰值依然呈漸變趨勢。
對膜/基複合體系進行衝擊劃痕觀察到的最顯著特點是在等間隔臺升的試驗中，當膜層被劃透導致基材暴露時，最大切向力Ftm、痕槽最大深度H和能量損耗E均出現明顯的突然變化。這些突變是1、切向力突變在系列劃痕實驗中，透膜痕的Ft-t曲線出現突然變化，峰值增量△Ftm超過平穩變化值的3倍以上，而此時法向力Fnm則仍按原有規律變化。從圖7給出的在硬膜/硬基試樣及硬基材上連續三次劃痕的力隨時間變化Ft-t及Fn-t曲線，可看出切向力的突變。圖7a)為採用真空陰極工藝鍍TiN/HSS。b)高速鋼基體。
這種切向力突變，在硬膜/軟基體系的實驗中也同樣出現(圖8)。圖8中1)為採用空心限極工藝鍍TiN膜基體為不鏽鋼。2)為不鏽鋼基體。
2、痕槽深度的尖變劃痕透膜時，痕槽的最大深度H在原來漸變的基礎上也出現一個突然變化，而最大痕寬B則仍按原趨勢變化。圖9給出用形貌儀依次測量等間隔臺升實驗中透膜前的連續二條痕槽和透膜的一條痕槽H、B及變化情況，試樣為離子鍍/高速鋼基材。
如測量透膜痕槽的痕深h和痕寬b隨痕長度方向變化，可發現透膜處痕槽深度的突然增加(圖10)。對於硬膜/軟基體系這種現象更為明顯。
3、能耗的突變能量損耗在透膜時出出現一定程度的突變。這可以從圖11給出的兩種工藝硬膜/硬基複合體系不同長度劃痕1與能耗E的關係以及相同試驗下硬基材實驗結果的對比上看出。圖11中a)為採用真空陰極工藝鍍TiN，b)磁控反應濺射鍍TiN，c)高速鋼基體。
對於硬膜/軟基體系，透膜時能耗的突變更為顯著(圖12)，這可能與膜、基兩種材料性質差別較大有關。圖12a)真空陰極工藝鍍TiN膜。b)磁控濺射鍍TiN。c)高速鋼基體。
可以推測，對膜/基體系作衝擊劃痕時，劃頭首先從膜層表面劃入，在其作用下膜層與基材同時塑變;隨著劃頭深入膜層，硬膜中出現裂紋及部分斷裂;當划過膜/基界面區域時，劃頭周圍膜層將因膜/基界面的不連續性而大量斷裂，基材產生嚴重塑變及膜層與基體的剝離;劃頭進入基材，把膜層和基材一起犁削掉，硬基材中還可能出現不同程度的斷裂。這一過程可用圖13簡單模型加以概括。
在未透膜階段，法向力Fn主要反映膜/基複合體系表層對入侵劃頭的抵抗力，隨法向載荷的增加而逐漸變大;切向力Ft由材料的塑性流彎、滑移及劃頭與試樣間的粘著、摩擦等性質決定，其值較小;痕槽主要是由於劃頭擠壓入試樣表層產生塑性形變的結果，其深度h不大;能量損耗E包括塑變能、摩擦能及膜層內部斷裂能幾項。
在透膜階段，情況較為複雜。這時的法向力Fn仍和未透膜時的內涵相同，故其值變化不顯著;而切向力Ft則反映劃頭對膜層和基材和犁削、膜層的斷裂和剝離等脆性流失性質，其值顯然突增很多;痕槽的形成除了由於膜層的斷裂脫落外，還有基材的更嚴重塑變及部分斷裂，深度h也會有一個突然加大的變化;能耗E不但包括膜層和基材各自的變形能摩擦能斷裂能、還包括膜與基材界面結合破壞而消耗的能量。
衝擊劃痕實驗中，由於膜層、基材性質的差異和膜/基結合界面的不連續性，反映在力、能耗及痕槽深度等方面產生突然變化，可以用作膜/基分離的標誌，以此為準去探索表達界面結合強度的定量判據。
二、膜/基結合的判據1、法向力判據Fnc及其涵義在硬膜體系衝擊劃痕實驗中，作最大切向力Ftm與痕長l和最大法向力Fn與痕長l的關係圖，可直觀地發現透膜時Ftm的突變。選用Ftm突變處所對應的法向力Ftm作為評價膜/基結合性能的一個判據，稱為臨界法向力Fnc。圖14、圖15給出硬膜/硬基、硬膜/軟基兩種複合體系的Ftm/、Fnm-1曲線，作為對比，同時給出兩種基材的實驗結果。圖14中a)為真空陰極工藝鍍TiN膜，b)為磁控反應油射TiN膜，c)為高速鋼基體。圖15中a)為真空陰極工藝鍍TiN膜，b)為磁控反應濺射TiN膜，c)為高速鋼基體。
如前討論，臨界法向力Fnc代表膜/基複合體系承載能力，與傳統劃痕法的判據臨界載荷Lc涵義類似。
表2給出對幾種硬膜體系作單擺衝擊劃痕實驗的結果Fnc和用同一試樣進行聲發射監聽劃痕實驗的結果Lc。
實驗結果表明，單擺衝擊劃痕儀及測試方法有較高的可靠性，在評價膜/基體系承載能力方面，可見到Fnc的排隊與Lc基本一致。這種方法還具有以下特點1)判斷膜/基體系承載能力失效的標準比較明確直觀，即膜層的破透及剝落;
2)判據Fnc是在模擬磨粒和衝擊磨損的動態條件下獲得的;
3)與聲發射監聽劃痕法相比，不受膜內斷裂的影響。
注意試樣B2和C2特殊的實驗結果，Fnc均高於Lc而且Lc的排隊發生變化，這與膜層內發生較嚴重的斷裂有關，圖16是它們在透膜前的痕槽形貌。它證實膜內的脆斷信號幹擾了聲發射監聽的數據，故劃痕法所得Lc值偏低。
2、能量判據-透膜單位長度能耗。
取自然對數ln(E×102+l)，作其與l的關係曲線，可得到很好的分段線性關係，圖17、圖18為硬膜/硬基、硬膜/軟基複合體系及兩種基材所作的結果。圖17a)為真空陰極工藝鍍TiN膜，b)為磁控反應濺射TiN膜，c)高速鋼基體。圖18a)為真空陰極工藝鍍TiN膜。b)磁控反應濺身TiN膜，c)不鏽鋼基體。
根據實驗點描繪的線段再聯繫痕貌觀察作出如下分段Ⅰ為膜層及基材塑變階段;
Ⅱ為膜層內裂紋生成及部分脆斷階段，單一硬基材也可能出現一些斷裂;
Ⅲ對於膜/基體系本段有一躍變，恰為各透膜痕槽;單一基材不出現本段。
由各段直線l得到實驗公式ln(E×102+l)＝Pi+m，(2)式中pi為斜率，m為截距。可回歸出由1計算能耗的關係式Ei＝(m1opi-l)×10-(3)其中mi＝em，下標1表示不同階段或不同材料。
據式(30在E-l關係圖上作出回歸曲線，原實驗點及以後做的驗證實驗點與曲線十分吻合，見圖11、圖12所示。
衝擊劃痕能耗E一般包括劃頭與試樣間摩擦耗能、材料塑變能、斷裂能及材料產生新表面所需能等等。對膜/基複合體的實驗結果表明，在透膜時有能量損耗的突變，這顯然反映出膜層與基體界面結合能的某些信息，扣除膜材及基材的衝擊劃痕能耗後，應能得到與界面結合能密切相關的能量判據。
考慮透膜劃痕如圖19所示，l為痕長，l′為底材暴露長度，下標C和S分別表示膜層和基材。
用E實表示透膜劃痕實際耗能;Eol及Eol′表示未透膜情況下痕長分別為l及l′時由式(3)計算所得的能耗;El′表示在基材上痕長為l′時由式(3)計算所得的能耗;應有E實＝Eol-Eol′+Elγ+△ (4)
式中△表示由於是複合體系而非二者簡單組合體系所存在的能量差值，顯然與膜/基界面結合能密切相關。有△＝E實-Eol+Eol′-Eθl′(5)定義ε＝△/l′(6)表示在某種程度上反映單位長度膜/基結合能的判據，它相應於膜/基結合界面破壞時所耗去的能量。
據兩種工藝硬膜/硬基複合體系在圖11、圖17中的實驗數據，列表計算如下兩種膜/基複合體系透膜單位長度能耗ε判據的不同表明，空心陰極離子鍍的膜/基結合強度高於磁控濺射鍍的膜/基結合強度，這與兩種鍍膜工藝本身及目前公認的結果相符合，從同一試樣上各不同透膜長度所計算出的)ε的平均偏差較小來看，也在一定程度上反映ε判據包含表徵界面結合強茺或界面結合能的一個固有量。
綜上所述可以得出如下結論1)研製和發展出的新儀器和測試方法可對膜/基複合體系的界面結合進行摩擦學評價，大量的工作驗證了儀器和測試方法的有效性、可靠性和獨特性;
2)選擇切向力Ftm、痕深H和能E隨劃痕長度l變化曲線上的突變點，均可有效、靈敏地作為膜/基剝離的依據;
3)膜/基剝離時的法向力可作為臨界法向力Fnc判據，表徵膜/基體系承載能力;
4)用透膜時單位界面長度能耗ε作為膜/基結合強度的半定量判據，在一定程度上反映了膜/基結合性能。
權利要求
1.一種膜/基結合強度的檢測方法，其特徵在於(1)利用單擺衝擊劃痕儀的劃頭以1-3m/s的速度划過帶有薄膜的平面樣品，在足夠的劃痕長度條件下，劃頭依次與膜層表面接觸，進入表層，透過膜/基界面，侵入基材直至最深處後再以相反的過程掠出樣品表面；(2)在此過程中分別測出不同入侵深度劃痕的能量消耗和最大剪切力；獲得界面結合強度的判據基於膜/基界面的不連續性，利用在界面破壞時出現的切向力和能耗的突變，求出突變時對應的法向力和顯露膜/基界面單位長度所消耗的能量來評價薄膜和基材的結合強度。
2.一種專用權利要求1所述方法的膜/基結合強度的檢測裝置，它由機身、樣品臺、擺錘、角度控制架、指標盤、千分表組成，評價薄膜與基材界面結合強度的檢測裝置，其特徵在於(1)所述的樣品臺系由切向、法向承力板、支架、緊固螺栓、應變片、上、下斜塊、底座組成，其中應變片沿支架水平、垂直方向分別貼放在承力板上、下，下斜塊通過兩斜面相接座落在帶有滑軌的底座中，下斜塊可以通過轉動手柄來旋轉絲槓作水平移動;(2)所述的擺錘的錘頭的端部被加工成槽型，劃頭為三角形刀片，尖頭為90園錐體，劃頭通過螺栓固定在槽內。
全文摘要
一種膜/基結合強度的檢測方法及其裝置，系屬於力學測試領域。本發明的主要特徵是基於膜/基界面的不連續性，利用所測的能耗或切向力在破膜時出現的突變作力膜/基剝離的判據，扣除膜、基各自的能耗而獲得一個與界面結合密切相關的結合能判據。為實施上述方法，本發明還提供了一個檢測裝置，其裝置中的樣品臺可做升降運動。
文檔編號G01N19/04GK1068425SQ91106170
公開日1993年1月27日 申請日期1991年7月1日 優先權日1991年7月1日
發明者李曙, 李詩卓, 魏向東 申請人:中國科學院金屬研究所