六方晶体结构（AlB2）的二硼化钛（TiB2）涂层具有高熔点（3500 K）、高硬度（可达60 GPa）、高导热导电性、化学稳定性和耐磨性优异等特点，这些优异特性促使TiB2成为金属加工切削刀具表面理想的防护涂层。在物理气相沉积（PVD）技术中，磁控溅射技术特别是直流磁控溅射技术（dcMS）是通过TiB2靶材制备TiBx涂层常用的方法之一。通常dcMS技术制备的TiBx涂层中，B元素是过量的，且B/Ti原子比可从x=2.1变化到x=3.2，涂层中过量的B原子通常以无定形/非晶相的形式分布在晶界处，该纳米组织结构与沿TiB2-(001)择优取向相结合，可显著地提高TiBx涂层的硬度（H≥40 GPa）。
北京交通大学谷佳宾等采用不同的溅射技术（dcMS、HiPIMS和Hybrid）在旋转基体上沉积TiBx涂层，并探究基体偏压和溅射技术对TiBx涂层微观组织结构和力学性能的影响。
不同的溅射技术和基体偏压不仅能够影响涂层的微观形貌，对涂层的沉积速率也有重要的影响。不同溅射技术制备的TiBx涂层的沉积速率如图1所示。可以发现，dcMS模式具有最高的沉积速率，而HiPIMS模式具有最低的沉积速率，Hybrid模式具有高于HiPIMS模式的沉积速率。相对于dcMS模式，HiPIMS-TiBx涂层较低的沉积速率主要是由于相同的功率时，HiPIMS模式的峰值电压较高，在阴极前的预鞘层区域形成了高的电位变化梯度，导致靶材离子被回吸至靶材，阻碍了离化后的低能离子向基体扩散，从而导致其较低的沉积速率。另外，沉积速率随着偏压的升高而降低，不同溅射技术都有这种变化趋势。这是由于高偏压会增强离子对涂层的轰击作用，使得制备涂层的致密性提高了，从而导致较低的沉积速率。
不同溅射技术制备的TiBx涂层的压痕形貌如图2所示。dcMS-TiBx涂层在不同的偏压下，在压痕处均未观察到分层剥落现象，只观察到径向裂纹，表现出高的膜层/基体结合强度（HF1级）。Hybrid-TiBx涂层在偏压为–70、–100 V时，在压痕处都只观察到径向裂纹，表现出高的膜层/基体结合强度（HF1级）；在偏压为–130 V时，在压痕处观察到了少量分层剥落现象，膜层/基体结合强度下降到了HF2级。HiPIMS-TiBx涂层在低偏压（–70 V）时，在压痕处仅观察到径向裂纹，未发现分层剥落现象，膜层/基体结合强度达到HF1级。随着偏压的升高，在压痕处观察到大量的分层剥落现象，但是未发生完全分层剥落现象，膜层/基体结合强度达到了HF4级。这可能是由于随着偏压的升高，HiPIMS-TiBx涂层内存在高的残余应力（–7.3 GPa）和过量的离子轰击导致的。综上所述，溅射技术和基体偏压都可以显著地影响膜层/基体结合强度，且Hybrid模式可以在不降低涂层硬度的条件下显著地提高膜层/基体结合强度。
1）采用dcMS、HiPIMS和Hybrid溅射技术制备的TiBx涂层均表现出六方结构和显著的TiB2-(001)择优取向。随着基体偏压升高，TiBx涂层致密性逐渐增加。当偏压为–130 V时，Hybrid-和HiPIMS-TiBx涂层中的柱状结构消失。
2）随着基体偏压的升高，TiBx涂层的残余应力先增大、后减小。在偏压为–100 V时，HiPIMS-TiBx涂层的残余应力达到–7.3 GPa。偏压相同时，dcMS-TiBx涂层具有最低的残余应力，而HiPIMS-TiBx涂层具有最高的残余应力。
3）随着基体偏压升高，TiBx涂层的纳米硬度单调增大。偏压为–130 V时，Hybrid-TiBx涂层的硬度达到40.1 GPa。Hybrid-和HiPIMS-TiBx涂层的膜层/基体结合强度随偏压的升高而降低。偏压相同时，dcMS-TiBx和Hybrid-TiBx涂层表现出优异的膜层/基体结合强度（HF1~HF2级），而HiPIMS-TiBx涂层表现出较差的膜层/基体结合强度（HF1~HF4级）。
4）Hybrid模式制备TiBx涂层完美地结合了dcMS和HiPMS模式的优点，偏压为–130 V时，Hybrid-TiBx具有最高的硬度、低残余应力和优异的膜层/基体结合强度。
该文章发表在《表面技术》第53卷第15期。
引文格式：谷佳宾, 李建勇, 金杰, 等. 溅射技术与基体偏压对 TiBx 涂层结构和力学性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(15): 206-215.
GU Jiabin, LI Jianyong, JIN Jie, et al. Effects of Sputtering Technology and Bias Voltage on Structure and Mechanical Properties of TiBx Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(15): 206-215.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.019
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审核|汪 潇
编辑|邓李旸
