MIS-HiPIMS同步脈沖偏壓調(diào)控CrSiN納米復(fù)合薄膜——硬度20.2?GPa & 磨損率9.1×10?1??m3/N·m

點(diǎn)睛：

采用MIS-HiPIMS技術(shù)，同步脈沖偏壓寬度從100?μs增至500?μs，離子轟擊時間延長，薄膜由疏松柱狀演變?yōu)橹旅芗{米柱狀結(jié)構(gòu)。硬度從15.6?GPa升至20.2?GPa，磨損率低至9.1×10?1??m3/N·m。

引言：

CrSiN納米復(fù)合陶瓷薄膜因高硬度、耐磨損、抗高溫氧化等優(yōu)異性能，在刀具、模具等領(lǐng)域極具潛力。然而，dcMS需高溫沉積≥300?℃才能形成理想的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)（納米晶CrN鑲嵌于非晶Si?N?中），限制了其在熱敏感材料（如輕合金）上的應(yīng)用。HiPIMS雖能提高離化率，但連續(xù)離子轟擊會導(dǎo)致基片過熱和內(nèi)應(yīng)力升高。金屬離子同步HiPIMS通過脈沖偏壓同步于陰極脈沖，可準(zhǔn)確調(diào)控特定離子（如Cr?）的能量和通量，避免持續(xù)高能Ar?轟擊。本文系統(tǒng)研究同步脈沖偏壓寬度（100-500?μs）對CrSiN薄膜的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)及摩擦學(xué)性能的影響，探索低溫（≈180?℃）下制備高性能CrSiN納米復(fù)合薄膜的可行性。

解析：

中國蘭州物理研究所的Gui等采用MIS-HiPIMS技術(shù)，以“Influence of synchronized pulse bias on the Microstructure and Properties of CrSiN nano-composite ceramic films deposited by MIS-HiPIMS”為題發(fā)表在《Ceramics International》上，其工藝參數(shù)如下：

1）基體：高速鋼和Si(100)晶片，2）預(yù)處理：丙酮+酒精超聲清洗15?min，N?吹干，離子源刻蝕。3）靶材：Cr靶用于Cr過渡層；Cr??Si??靶用于CrSiN層。4）工作氣體：Ar和N?，氣壓0.7?Pa。5）基片溫度：約180?℃。6）沉積過程：先沉積Cr過渡層（HiPIMS，平均功率6?kW，頻率1000?Hz，脈寬100?μs，峰值電流210?A，Ar流量700?sccm，40?min）；然后沉積CrSiN層（HiPIMS，平均功率10?kW，頻率1000?Hz，脈寬100?μs，峰值電流200?A）。同步脈沖偏壓：電壓-300?V，脈寬分別為100、200、300、400、500?μs，與HiPIMS脈沖同步。8）靶基距：150?mm；基片旋轉(zhuǎn)速度3.2?r/min。

圖1 HiPIMS陰極電源及同步脈沖偏置電源的放電電壓波形

圖2 MIS-HiPIMS薄膜沉積系統(tǒng)的典型原理圖及放電電壓波形

圖1展示了HiPIMS陰極電壓波形與同步脈沖偏壓波形。圖2顯示了不同脈沖寬度（100-500?μs）下偏壓的波動周期。當(dāng)脈寬為100?μs時，僅約25?μs的波動時間（正離子到達(dá)基片）；脈寬增至400?μs時，波動時間延長至約320?μs；500?μs時達(dá)380?μs。波動時間幾乎線性增長，為調(diào)節(jié)離子轟擊提供了有效手段。此外，離子從靶到基片的擴(kuò)散時間從75?μs降至50?μs，歸因于等離子體弛豫和對稱化。

圖3 表面與斷面SEM形貌隨脈寬的變化

圖3展示了不同脈寬下CrSiN薄膜的形貌演變。脈寬100?μs時，表面粗糙、多孔，斷面呈現(xiàn)粗大貫穿柱狀結(jié)構(gòu)“columnar and porous”，厚度大約3.37?μm。隨著脈寬增加，離子轟擊增強(qiáng)，表面逐漸致密化，斷面轉(zhuǎn)變?yōu)椤癱olumnar but dense”結(jié)構(gòu)，柱狀晶細(xì)化。400?μs時薄膜為致密光滑，無明顯柱狀間隙；500?μs時仍保持致密但出現(xiàn)輕微晶粒粗化。另外厚度隨脈寬增加而減小，說明致密度提高。

圖4 硬度和彈性模量隨脈寬的變化

圖5 磨損率及磨損輪廓

圖4顯示了硬度隨脈寬先略降（200?μs時15.6?GPa）后持續(xù)上升，400?μs時達(dá)19.3?GPa，500?μs時達(dá)20.2?GPa。彈性模量在500?μs時達(dá)MAX值348.3?GPa。力學(xué)性能提升歸因于晶粒細(xì)化和致密度提高。由圖5得出磨損率在400?μs時達(dá)到Min值9.1×10?1??m3/N·m，比100?μs時的7.69×10?1??m3/N·m低約一個數(shù)量級。500?μs時磨損率回升至約2×10?1??m3/N·m。400?μs樣品因高硬度、高韌性和致密結(jié)構(gòu)，抗磨損性能佳。

結(jié)論與延伸：

1. 同步脈沖偏壓的波動時間隨脈寬增加幾乎線性延長（25→380?μs），使正離子通量可控，有效增強(qiáng)轟擊效果，同時將基片溫度控制在180?℃左右。

2. 隨脈寬增加，CrSiN薄膜從疏松柱狀演變?yōu)橹旅芗{米柱狀結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)化。硬度和彈性模量分別從15.6?GPa、約300?GPa升至20.2?GPa、348.3?GPa（500?μs）。

3. 400?μs脈寬下薄膜兼具高硬度、高韌性和致密結(jié)構(gòu)，磨損率低至9.1×10?1??m3/N·m，比100?μs時降低一個數(shù)量級。MIS-HiPIMS通過同步脈沖偏壓實(shí)現(xiàn)了低溫下高性能CrSiN納米復(fù)合涂層的可控制備。

DOI:10.1016/j.ceramint.2024.05.465.