Improvement of plasma uniformity and mechanical properties of Cr films deposited on the inner surface of a tube by an auxiliary anode near the tube tail

In order to improve the length of plasma in a whole tube and mechanical properties of Cr films deposited on the inner surface of the tube, a high-power impulse magnetron sputtering coating method with a planar cathode target and auxiliary anode was proposed. The auxiliary anode was placed near the tube tail to attract plasma into the inner part of the tube. Cr films were deposited on the inner wall of a 20# carbon steel tube with a diameter of 40 mm and length of 120 mm. The influence of auxiliary anode voltage on the discharge characteristics of the Cr target, and the structure and mechanical properties of Cr films deposited on the inner surface of the tube were explored. With higher auxiliary anode voltage, an increase in substrate current was observed, especially in the tube tail. The thickness uniformity, compactness, hardness and H/E ratios of the Cr films deposited on the inner surface of the tube increased with the increase in auxiliary anode voltage. The Cr films deposited with auxiliary anode voltage of 60 V exhibited the highest hardness of 9.6 GPa and the lowest friction coefficient of 0.68.     

基体放置状态与脉冲偏压幅值对大颗粒形貌和分布的影响

利用电弧离子镀方法制备了TiN薄膜,研究了脉冲偏压幅值和试样放置状态对Ti大颗粒形貌和分布规律的影响。采用扫描电子显微镜观察了薄膜的表面形貌,利用Image J科学图像软件对Ti大颗粒的数目和尺寸进行了分析。结果表明:在不施加脉冲偏压时,随着试样表面与靶表面放置方向从平行到垂直,大颗粒数目迅速由4964降低到3032,所占薄膜的面积比从12.1%减少到4.7%;而在相同的放置方向下,发现静止状态下的薄膜表面大颗粒数目较少,尺寸也较小,而转动状态下大颗粒形貌差别较大,尺寸和所占的面积比较大。随着脉冲偏压幅值的增加,在各个放置状态下大颗粒都出现了先减小后增加的趋势,当幅值在-400 V时,薄膜表面大颗粒所占的面积比都达到最小值。     

等离子体浸没离子注入圆筒内表面的时空尺度

等离子体浸没离子注入与工件外表面的注入不同 ,存在空间和时间上的尺度。研究结果表明 ,由于内腔 ,如内筒的有限尺寸 ,使注入电压的利用率降低 ,同时使内部等离子体快速耗尽 ,对于特定的内筒 ,利用提高注入电压从而提高注入能量只能在一定的电压范围内实现。在典型的外表面注入工艺条件下 ,内表面离子的耗尽速度是惊人的。如在对于直径 2 0cm的圆筒在 30kV、2× 10 15ions/cm3的条件下 ,等离子体耗尽时间仅为 0 .5 5 μs ,这个时间甚至小于多数脉冲电源的上升沿时间。结果表明 ,内部等离子体源的硬件结构可能是一种有效的解决方法。     

双脉冲HiPIMS放电特性及CrN薄膜高速率沉积

提出了一种新型的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术,即放电由脉宽短、电压高的引燃脉冲和脉宽长、电压低的工作脉冲2部分组成的双脉冲高功率脉冲磁控溅射技术,目的是解决传统高功率脉冲磁控溅射沉积速率低的问题。研究了引燃脉冲电压及传统高功率脉冲磁控溅射条件对Cr靶在Ar气气氛下的放电特性的影响,并制备CrN薄膜。结果表明:随着引燃脉冲电压的施加,双脉冲高功率脉冲磁控溅射Cr靶放电瞬间建立,并获得较高的峰值电流,而传统HiPIMS模式的输出是渐渐爬升的三角波电流;与传统高功率脉冲磁控溅射相比,单位功率下双脉冲高功率脉冲磁控溅射具有更高的基体电流积分以及更多的Ar~+和Cr~0数量;引燃脉冲电压为590 V时,双脉冲高功率脉冲磁控溅射单位功率下CrN薄膜沉积速率为2.52μm/(h·kW),比传统高功率脉冲磁控溅射提高近3倍。     

不同靶材料的高功率脉冲磁控溅射放电行为

选择具有不同溅射产额的靶材料(Cu,Cr,Mo,Ti,V和C),研究了其高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)放电靶电流波形随靶电压的演化行为.发现所有材料都满足5个阶段顺序放电特征,但是不同溅射产额的材料的相同放电阶段所需要的靶电压呈现先增加后下降的趋势,根据放电难易的不同分别表现出一定阶段的缺失.对其靶电流平均值、峰值和平台值的统计显示,溅射产额高的靶材料自溅射容易,平台稳定,对靶电流的贡献主要为平台值(金属放电),比较适用于HPPMS方法沉积薄膜;而溅射产额低的靶材料气体放电明显,靶电流主要由峰值(气体放电)贡献,不利于薄膜沉积.     

直流偏压对铝合金表面高功率脉冲磁控溅射沉积钒薄膜耐蚀性的影响

采用高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)法,在工业纯铝基体上生长得到V薄膜,研究不同直流偏压对薄膜相结构、形貌及不同温度处理对耐蚀性的影响。结果表明,薄膜相结构为单一的V(111)相。薄膜表面光滑、平整,且随偏压的增大,薄膜表面粗糙度先减小后增大,最小仅为0.488nm。薄膜沉积过程中离子吸引效应和溅射效应的竞争导致薄膜沉积速率随着偏压的增大先减小后增大。20℃时镀V薄膜样品在偏压为-100V时耐蚀性最佳,其腐蚀电位比基体提高了0.425V,腐蚀电流下降了2个数量级以上。镀V薄膜样品经过200和300℃加热处理后,其耐蚀性提高,但是与基体相比,经200℃处理后的镀V薄膜样品腐蚀电流最大降低了1个数量级,而经300℃处理后的镀V薄膜样品耐蚀性与基体相比提高并不明显。     

溅射气压对铝合金表面HPPMS沉积钒薄膜摩擦学性能的影响

采用高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)技术,在铝合金基体上制备V薄膜。研究溅射气压对V薄膜相结构、表面形貌及摩擦学性能的影响。结果表明:不同气压下制备的V薄膜中的V相仅沿(111)晶面生长,其衍射峰强度先增强后减弱,当气压为0.5Pa时,衍射峰最强且择优取向最明显;同时,V薄膜表面质量最好,其表面粗糙度最小仅为0.267nm。室温下V薄膜样品的耐磨性能与基体相比有大幅提高,当气压为0.5Pa时,摩擦系数可由基体的0.57下降到0.28,磨痕表面无明显的剥落迹象,表现出最佳的摩擦磨损性能。经过200和300℃加热处理后的V薄膜样品的摩擦系数与基体相比具有稳定的低值,这是由于表面氧化造成的。     

Study?on?Vanadium?Films?Deposited?on?Concave?Object?by?Conventional?Direct?Current?and?High?Power?Pulsed?Magnetron?Sputtering

高功率脉冲磁控溅射是一种制备高质量薄膜的新兴方法。在相同的平均功率下分别采用HPPMS技术和传统DCMS技术在凹槽工件表面制备了钒薄膜。对比研究了两种方法下的等离子体组成、薄膜的晶体结构、表面形貌及膜层厚度的异同。结果表明：HPPMS产生的等离子体包括Ar(1+),V(0)和相当数量的V(1+);而DCMS放电时的等离子体包括Ar(1+),V(0)和极少量的V(1+)。两种方法制备的凹槽不同位置处钒薄膜相结构的变化规律大致相似。HPPMS制备的钒薄膜表面致密、平整;而DCMS制备的膜层表面出现非常锐利的尖峰且高度很高,凹槽不同位置表面状态表现出较大差异。DCMS制备的钒薄膜截面表现为疏松的柱状晶结构;而HPPMS制备的膜层也具有轻微的柱状晶结构,但结构更为致密。HPPMS时的膜层厚度小于DCMS时的膜层厚度。与凹槽工件的上表面相比,DCMS时侧壁膜层的厚度为上表面的32%,底部膜层的厚度为上表面的55%。而HPPMS时侧壁的厚度为上表面的35%,底部膜层的厚度为上表面的69%。采用HPPMS方法在凹槽工件表面获得的膜层厚度整体上表现出更好的均匀性     

分离靶电弧离子镀制备TiN/TiAlN多层薄膜的微观结构和力学性能(英文)

采用分离靶电弧离子镀制备TiN/TiAlN多层薄膜。为了减少大颗粒的不利影响,利用直线型磁过滤方法来减少低熔点铝靶产生的大颗粒。结果表明,没有过滤的钛靶和磁过滤的铝靶等离子体到达基体的输出量在相同的数量级,同时,采用该方法制备的薄膜中的大颗粒数目是文献中报道的合金靶制备的薄膜大颗粒数目的1/10～1/3。Al元素的添加引起薄膜在(200)晶面的峰值降低,而在(111)和(220)晶面的峰值增强。TiN/TiAlN多层薄膜的最大硬度为HV2495,薄膜的硬度增强符合混合法则,结合力达75 N。     

基体偏压对高功率脉冲磁控溅射制备CrAlN薄膜性能的影响

为了防止氢扩散导致金属材料的失效,通常在其表面制备一层 CrN 阻氢薄膜。但是 CrN 涂层的热稳定性较差,抗氧化温度低于 600 ℃。采用高功率脉冲磁控溅射技术,利用 Cr 和 Al 双靶共沉积 CrAlN 薄膜来提高其高温抗氧化性能。试验变量为基体负偏压的大小,分别为-100 V、-200 V、-300 V 和-400 V。结果表明,四组 CrAlN 薄膜均为柱状晶结构,随着基体偏压提高,膜层的致密度提高,但同时薄膜沉积速率下降;CrAlN 薄膜的择优生长方向为 Cr(200)晶面法线方向。四组 CrAlN 薄膜的氢抑制率均超过 70%,氢原子扩散系数最低比 316L 不锈钢基体低 3 个数量级。当基体偏压为-300 V 时,可以同时获得最优的氢抑制率(87.4%)和最低的氢原子扩散系数(6.188×10^?10 cm² / s)。600 ℃、氧气气氛下保温 60 min,CrAlN 膜基结合面处氧含量仅为表面处的 30%左右。相比于 CrN 薄膜,在相同基体偏压下,CrAlN 薄膜的氢原子扩散系数更小;高偏压下制备的 CrAlN 薄膜氧增重量仅为 316L 不锈钢基体的 10%,抗氧化性能更好。