【摩擦磨损与润滑】东北大学李建中教授团队：带有反向正脉冲的HiPIMS技术制备ta-C膜及性能研究
科技
科学
2024-08-27 17:00
重庆
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高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）是一种采用高脉冲功率、小占空比实现高溅射率的磁控溅射法，在涂层制备过程中，利用该技术控制微结构，可以使涂层具备优异的性能，为达到更好的应用效果奠定了基础。但HiPIMS在沉积过程中放电时，由于靶材离子的“靶回吸”现象较严重，会影响沉积速率。东北大学李建中教授团队以刀具用硬质合金为基体，采用带有反向正脉冲的HiPIMS技术，有效克服“靶回吸”现象，充分发挥ta-C膜的sp3特性，提高离子沉积速率，解决制备ta-C薄膜存在的大颗粒污染问题，进而提高类金刚石膜的性能。同时，对于提高加工刀具的表面硬度和摩擦性能，延长其使用寿命具有重要的实际意义。通过示波器观察HiPIMS电源1不同频率下的电流电压波形，确定正脉冲峰值电流和峰值电压，如图2、3所示。当HiPIMS电源1的频率从1500 Hz逐渐升高到4000
Hz时，峰值电流逐渐降低（如表1所示）。由此，可控制离子沉积能量，进而调控ta-C膜层的结构和成分。![]()
图2 不同频率下目标电压波形
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图3 不同频率下峰值电流的演变
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表1 不同频率下的HiPIMS参数
不同频率对ta-C膜表面形貌的影响如图4所示，可知脉冲频率对ta-C膜表面均匀性及小颗粒数量均有显著影响。随着脉冲频率的降低，ta-C膜表面的小颗粒尺寸和数量逐渐减小。![]()
图4 不同频率对ta-C薄膜沉积表面形貌的影响
在不同频率下，ta-C薄膜的拉曼光谱的高斯拟合如图7所示。![]()
图7 不同频率下ta-C薄膜拉曼光谱的高斯拟合
在不同频率下，ta-C涂层的摩擦因数曲线如图11所示，可知ta-C膜的摩擦因数相对较低。在摩擦前期，摩擦因数波动较大，主要原因是此时处于摩擦磨合期，摩擦过程中ta-C膜表面的晶粒在剪切力的作用下会发生一定量的断裂，且部分会形成转移膜，待稳定后为实际的摩擦因数。由图11可以看出，当频率为4000 Hz时涂层的摩擦因数为0.163；当频率降至1500 Hz时涂层的摩擦因数降至0.138。说明在1500 Hz下ta-C涂层的耐磨性能较优异，此结果与之前测试的硬度及薄膜性能的结果相吻合，均说明在1500 Hz下制备的ta-C涂层具有较好的性能。![]()
图11 不同频率下ta-C涂层的摩擦因数
采用HiPIMS技术在WC硬质合金基体表面沉积ta-C膜，在通入相同气体的条件下，保持基体偏压为−150 V、沉积功率为5 kW、HiPIMS电源脉冲宽度为50 µs的镀膜工艺条件，研究了HiPIMS电源1在1500、2400、3200、4000 Hz频率下对ta-C薄膜性能的影响机制，主要得出如下结论。1）降低频率可以在一定程度上提高ta-C薄膜的沉积速率。在1500 Hz频率下，薄膜的沉积速率最快，ta-C膜层的厚度由479.2 nm（4000 Hz）增至488.6
nm。2）频率对ta-C膜结构具有显著影响。随着频率的降低，ta-C膜的拉曼光谱中G峰向高波数段逐渐偏移。随着频率的降低，ta-C薄膜的ID/IG随之升高。由XPS的C1s分析结果可知，在频率为1500
Hz下ta-C膜的sp3的原子数分数可达63.74%。3）通过降低频率可提高制备ta-C膜的峰值电流，从而提高薄膜的力学性能。当频率从4000 Hz降至1500 Hz时，ta-C薄膜的硬度从32.65 GPa提高到40.485 GPa，摩擦因数从0.163降至0.138，有效改善了ta-C膜的耐磨性。该文章发表在《表面技术》第53卷第13期上。
引文格式：何哲秋, 冯利民, 李建中, 等. 带有反向正脉冲的HiPIMS技术制备 ta-C 膜及性能研究[J]. 表面技术, 2024, 53(13): 96-103.
HE Zheqiu, FENG
Limin, LI Jianzhong, et al. Preparation of ta-C Coating by HiPIMS Technology
with Reverse Positive Pulse and Study on ItsProperties[J]. Surface Technology,
2024, 53(13): 96-103.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.010
