TiAlN薄膜具有硬度高、附着力强及热稳定性 好等优良特性,被广泛用于涂层刀具中。钽(Ta)是 一种硬度高、韧性好、熔点高的过渡金属元素,经常 用于提高合金的抗高温氧化性能。将Ta与TiAlN 制成多层膜,有可能获得更好的力学性能及热稳定 性。清华大学摩擦学国家重点实验室和武汉材料 保护研究所的研究人员设计并制备了TiAlN/Ta多 层膜,研究了其力学性能及热稳定性。该文发表在 《Appiled Surface Science》2014年第310卷。
论文首先介绍了TiAlN/Ta多层膜的结构及制 备工艺。采用自行设计的离子束辅助沉积设备进行 TiAlN/Ta多层膜的制备,使用Ti0.5Al0.5(99.95%) 靶和Ta(99.95%)靶,通过旋转靶材实现不同子层 的沉积。在单面抛光的Si(100)基体表面沉积 TiAlN/Ta多层膜进行性能表征。
作者利用扫描电子显微镜(SEM)观察了 TiAlN/Ta多层膜的截面形貌,见图 1。由图可知, TiAlN/Ta多层膜的总厚度为2μm。基体表面沉积 了一层300nm厚的TiAl过渡层;接着是交替沉积 的TiAlN子层和Ta子层,厚度分别为400nm和 30nm;最外面是一层TiAlN。
然后,作者研究了TiAlN/Ta多层膜的力学性能 及热稳定性,并与TiAlN单层膜比较。结果表明:制 备的TiAlN/Ta多层膜硬度达到29GPa,比TiAlN单 层膜提高了21%;膜/基结合力为72mN,是TiAlN 单层膜的2.4倍;热稳定性温度为935℃左右,比 TiAlN单层膜高了75℃。结果分别如图 2~4所示。
综上所述,利用离子束辅助沉积设备制备的 TiAlN/Ta多层膜具有良好的力学性能及热稳定 性,明显优于同样参数下制备的TiAlN单层膜。