Al含量对硬质Ta-Al-N薄膜的结构和机械性能的影响文献综述

摘要：Ta-Al-N系统具有高硬度、热稳定性和抗氧化性的独特组合，在许多需要防护涂层的工程应用中引起了极大的兴趣。研究不同Al含量下Ta-Al-N薄膜的结构和机械性能演变，对其残余应力、力学性能和氮化铝的存在形式进行研究，在不同退火工艺下，热诱导对薄膜相和微观结构的影响，进一步对薄膜的性能的强化机理进行分析。

关键词：Ta-Al-N薄膜；磁控溅射；退火；机械性能

用于汽车和航空航天领域的部件总是暴露在严重的摩擦和热条件下，近年来TaN涂层因其优异的性能而受到越来越多的关注，例如高硬度，良好的耐磨性、耐蚀性和化学稳定性，显示出作为保护材料的前景。然而多晶TaN在ge;500°C的温度下不稳定，之前有一项研究^[1]为防止Co在高温下从硬质合金中扩散，制备了TaN作为玻璃模具的保护涂层，然而，TaN涂层在空气中600℃退火期间被氧化成Ta₂O₅，这大大限制了TaN涂层在高温空气中的适用性。将极高的硬度与增强的韧性和良好的抗氧化性相结合且避免脆性过高，是过渡金属氮化物（TMN）陶瓷材料设计中的最大挑战之一^[2]。TMN-AlN合金涂层是一种有效的高温防护材料，具有增强的韧性和良好的抗氧化性^[3-4]，在TMN中加入铝，表面氧化铝层的形成提供了优越的抗氧化性，从而防止了氧向涂层内部的扩散。三元氮化物涂层，如CrAlN涂层和TiAlN涂层，已被开发用于同时改善机械和氧化性能。Ta-Al-N合金薄膜是一种具有增强韧性和优异抗氧化性的硬质耐磨涂层的潜在候选材料，在许多需要防护涂层的工程应用中引起了极大的兴趣。

磁控溅射技术是在普通直流（射频）溅射技术的基础上发展起来的，早期的直流（射频）溅射技术是利用辉光放电产生的离子轰击靶材来实现薄膜沉积的，但这种溅射技术的成膜速率较低，工作气压高（2-10Pa)，为了提高成膜速率和降低工作气压，在靶材的背面加上了磁场，这就是最初的磁控溅射技术。磁控溅射法在阴极位降区加上与电场垂直的磁场后，电子在既与电场垂直又与磁场垂直的方向上做回旋运动，其轨迹是一圆滚线，这样增加了电子和带电粒子以及气体分子相撞的几率，提高了气体的离化离，降低了工作气压，同时，电子又被约束在靶表面附近，不会达到阴极，从面减小了电子对基片的轰击，降低了由于电子轰击而引起基片温度的升高。TaAIN薄膜的制备采用对钽靶和铝靶反应共溅射。首先将真空室内气压抽至5x10^-3Pa,同时预热两个射频电源，然后通入工作气体氯气，调节两个射频功率使两个粑起辉，起辉后向真空室通入反应氨气，将流量计调制实验所需流量并保持真空室总压为1.0Pa,待气压稳定后分别将钽靶和铝靶的功率调节到实验所需的数值，打开旋转按钮使衬底以20r/min的速率旋转，检查各参数稳定后打开挡板，开始计时，制备TaAlN薄膜。

TaN涂层广泛应用于硬质涂层^[5]、耐磨层^[6]、薄膜电阻器^[7]、铜金属化扩散阻挡层^[8–11]和生物材料上的耐蚀层^[12]。Muuml;nz在1986年就报道了向TiN中添加Al，导致亚稳态TiAlN的形成，与TiN相比提高了抗氧化性^[13]。过渡金属氮化物具有高硬度、优异的耐磨性、化学惰性、良好的导电性和超导性能^[14]，因此这些化合物被广泛用于许多领域，例如用作切削工具、耐磨零件、涂层材料、电性能结构材料、电磁元件和超导材料等。先前关于Ti–Al–N薄膜的研究已经提出向氮化物薄膜中添加Al并在薄膜表面形成Al₂O₃以防止进一步氧化^[15-17]。因此，本研究的目的是通过在TaN中添加Al来提高其抗氧化性。在Ta–N基体中引入Al明显提高了600°C空气中的抗氧化性，这归因于形成了由Al和O组成的表面氧化层。与沉积态涂层类似，Ta₄₂Al₈N₅₀和Ta₃₉Al₁₁N₅₀涂层的纳米硬度和膜厚值在4小时后保持不变，并且Ta₃₅Al₁₅N₅₀涂层的值在8小时后保持不变。相比之下，近非晶态Ta₂₄Al₂₈N₄₈涂层没有表现出与TaN相关的优异抗氧化性。此外，在所调查的Ta–Al–N涂层中，Ta₃₅Al₁₅N₅₀涂层在700℃下4小时表现出优异的抗氧化性^[18]。五价钽（Ta）是一种非常有吸引力的替代元素，例如，在钛铝高温合金中用于提高韧性和减少高温氧化温度。而且Ta-N相图显示了多种Ta_yN_x结构，具有不同的电子性质。反过来，这种特性可以促进几种不同的稳定层错结构的形成，从而在TaN基合金中实现变色龙的机械响应，这些结构作为沿机械诱导变形路径的过渡状态，如各种难熔氮化物和碳化物所报告的系统。这些条件表明Ta-Al-N三元合金具有良好的韧性和抗氧化性，是制备硬质耐磨涂层的理想材料。此外，Rachbauer等人研究了Ta对Ti-Al-Ta-N涂层热稳定性的有利影响，通过Ta含量的增加，有效地延缓了Ti_1-x-yAl_xTa_yN立方固溶体的调幅分解。TaAlN在室温和高温下（工业应用中需要）应用于坚硬和坚韧的保护涂层方面比TiAlN有更大的前景。事实上，合金化后的韧性提高是通过保持相当的硬度（强度）同时降低弹性模量来实现的。结果表明，磁控溅射Ta_0.55Al_0.45N薄膜呈现出双相柱状结构，由立方B1-TaAlN固溶体和细小的纳米纤锌矿富AlN夹杂物组成。沉积态TaAlN涂层的硬度为29GPa，随退火温度单调增加。时效硬化是由于在边界相形成非相干纤锌矿-富AlN沉淀，随后立方TaAlN固溶体旋节分解为相干立方TaN以及富含AlN的域。在较高的退火温度下，点缺陷扩散率的增加导致立方亚稳相转变为稳定的w-AlN和h-TaN_1-x粗晶相，从而导致硬度降低。DFT混合自由能结果表明，AlN含量在0.2lt;xlt;0.5范围内时，B1-TaAlN合金的时效硬化效应是可以预期的。与在类似温度下退火的TiAlN相比，TaAlN涂层测得的弹性模量相对较低，表明其延性性能有所改善。结果表明，Ta_0.55Al_0.45N合金是一种很有前途的高温硬韧性防护涂层材料^[2]。 Kumar^[19]研究了Ta-Al-N薄膜的特质，Ta-Al-N薄膜（磨损率分别为4.7times;10^-8 mm³/Nm和1.9times;10^-8 mm³/Nm）在潮湿的大气和高真空条件下比Ti-Al-N（磨损率分别为4.2times;10^-6 mm³/Nm和1times;10^-4 mm³/Nm）显示出更好的耐磨性，与在高真空条件下测试的TaN和TiAlN涂层相比，TaAlN涂层获得了最低的摩擦系数(0.27)。

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资料编号：[547653]