真空 ›› 2026, Vol. 63 ›› Issue (5): 12-20.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2026.05.02
田媛媛1, 朱洪波2, 牟清2, 胡天时1, 田修波1,*, 耿慧远1,*, 巩春志1, 张辉1
TIAN Yuanyuan1, ZHU Hongbo2, MU Qing2, HU Tianshi1, TIAN Xiubo1,*, GENG Huiyuan1,*, GONG Chunzhi1, ZHANG Hui1
摘要: 为了改善低气压下靶前等离子体的空间分布,揭示工作气压对Cr靶HiPIMS放电与涂层性能的影响规律,本文调整电磁场结构,在靶前引入辅助阳极,成功实现在低工作气压(0.1 Pa)下稳定放电,系统研究了0.1~1.2 Pa范围内工作气压对放电特性以及涂层组织结构和性能的影响规律。采用复合直流高功率电源,保持脉冲电压、脉冲宽度与总功率恒定,分别制备了四组Cr涂层,通过对涂层截面形貌、相结构、表面粗糙度及力学性能进行分析,随着工作气压从1.2 Pa下降到0.1 Pa,脉冲放电过程由气体放电主导向金属放电主导过渡,涂层沉积速率从2.39 μm/h降低到1.53 μm/h。由于气体分子的遮挡效果减弱,等离子体能量提高,入射离子能量提高,导致晶粒尺寸逐渐减小,在0.1 Pa时降低到26.82 nm,同时表面粗糙度从2.45 nm降低到1.27 nm。工作气压的降低可显著影响涂层的界面失效行为,涂层-基体结合力从1.2 Pa时的3.8 N提高到0.1 Pa时的6.8 N,这与真空度升高带来的涂层纯度提高有关。低气压(<0.2 Pa)有利于获得表面更平整、致密且结合力更高的Cr涂层;较高气压(≈1.2 Pa)则获得更高硬度/模量,但粗糙度与界面完整性相对下降。
中图分类号: TB43
| [1] 袁满,高宏宇,路敬祎,等.油气管道泄漏检测技术综述[J].吉林大学学报(信息科学版),2022,40(2):159-173. [2] Kim K, Park M, Lee W, et al.Effects of sputtering power on mechanical properties of Cr films deposited by magnetron sputtering[J]. Materials Science and Technology, 2008, 24(7): 838-842. [3] D.M. Mattox.Surface effects on the growth, adhesion and properties of reactively deposited hard coatings[J]. Surface & Coatings Technology, 1996, 81(1): 8-16. [4] Manaud J P, Poulon A, Gomez S, et al.A comparative study of CrN, ZrN, NbN and TaN layers as cobalt diffusion barriers for CVD diamond deposition on WC-Co tools[J]. Surface & Coatings Technology, 2007, 202(2): 222-231. [5] Santiago J A, Fernández-Martínez I, Sánchez-López J C, et al. Tribomechanical properties of hard Cr-doped DLC coatings deposited by low-frequency HiPIMS[J]. Surface & Coatings Technology, 2020, 382(C):124899. [6] Sveen S, Andersson J M, M'Saoubi R, et al. Scratch adhesion characteristics of PVD TiAlN deposited on high speed steel, cemented carbide and PCBN substrates[J]. Wear, 2013, 308(1/2): 133-141. [7] Son S I, Shin D, Son Y G, et al.Effect of working pressure on the properties of RF sputtered SnS thin films and photovoltaic performance of SnS-based solar cells[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 831(prepublish): 154626. [8] Huang He, Wang Xuegang, Zhu Xiaodong, et al.Ion-beam assisted magnetron sputtering deposition of titanium nitride films[J]. Rare Metal Materials & Engineering, 2002,31(3):205-208. [9] Sarakinos K, Alami J, Konstantinidis S.High power pulsed magnetron sputtering: A review on scientific and engineering state of the art[J]. Surface & Coatings Technology, 2010, 204(11): 1661-1684. [10] 隋金洋,周大雨,赵文瑾,等.工作气压对AlScN薄膜结构和电学性能的影响[J]. 无机材料学报, 2026,41(4):486-492. [11] 张玉宝,李志刚,王艺,等.工作气压对磁控溅射TaN薄膜微结构和性能的影响[J].材料导报, 2021,35(S2):60-63. [12] 吴忠振,田修波,潘锋,等.不同靶材料的高功率脉冲磁控溅射放电行为[J].金属学报,2014,50(10): 1279-1284. [13] Musil J.Low-pressure magnetron sputtering[J]. Vacuum, 1998, 50(3/4): 363-372. [14] 丁啸云. 物理气相沉积Cr/Ta基身管用防护涂层制备及结构性能研究[D]. 北京:北京科技大学,2025. [15] 倪炜臣. 放电气压对金属靶射频、甚高频磁控溅射离子性能的影响[D]. 苏州:苏州大学,2022. [16] 吴忠振,田修波,李春伟,等.高功率脉冲磁控溅射的阶段性放电特征[J].物理学报,2014,63(17):204-212. [17] 胡明. 不同制备方法的火炮身管材料Cr涂层性能研究[D]. 太原:中北大学, 2019. [18] 王子嘉,李宇鑫,胡天时,等.外加辅助阳极的高功率脉冲磁控溅射管内Cr涂层制备及其性能分析[J]. 中国表面工程,2025,38(1):99-106. [19] Xiao Xun, Zuo Jiadong, Wang Yaqiang, et al.Tuning the microstructure and mechanical properties in nanocrystalline Cr coatings by sputtering power[J]. Materials Science & Engineering A, 2022, 844:143204. [20] 李显. 磁控管非平衡度及偏压对Cr涂层生长和组织性能的影响研究[D].西安:西安理工大学,2009. [21] Pyykkö P, Atsumi M.Molecular double-bond covalent radii for elements Li-E112[J]. Chemistry:A European Journal, 2009, 15(46):12770-12779. [22] 程玺儒. 非平衡磁控溅射离子镀制备TiAlN薄膜及其性能研究[D].成都:西华大学,2017. [23] 邢晓帅,刘影夏,于晓东,等.溅射功率和气压对直流磁控溅射制备钨薄膜的影响[J].稀有金属材料与工程,2022,51(2): 682-688. [24] 张文,邱长军,曾小安,等.表面镀Cr膜锆合金的抗高温氧化性能研究[J].稀有金属与硬质合金,2017,45(6): 71-75. [25] Kelly P J, Arnell R D.The influence of magnetron configuration on ion current density and deposition rate in a dual unbalanced magnetron sputtering system[J]. Surface and Coatings Technology, 1998,(108/109):317-322. [26] 罗渝然. 化学键能数据手册[M].北京:科学出版社,2005. [27] 陈瑞芳,倪泽炎,花银群,等.磁控溅射参数及基片材料对铜薄膜结合强度的影响[J].热加工工艺, 2013, 42(24):66-69,72. [28] 钟利,陈美艳,刘旋,等.基底偏压调控超薄PI薄膜表面铜涂层的结构和性能[J].原子能科学技术, 2025, 59(S2):534-542. [29] 徐全国,张健,宗世强.溅射气压对铜基复合薄膜结合性能的影响[J].辽宁化工,2024,53(7):1005-1007, 1011. |
| [1] | 刘锦涛, 朱洪波, 牟清, 胡天时, 田修波, 巩春志, 耿慧远, 王子嘉. 沉积温度对管内高功率脉冲磁控溅射制备Cr涂层性能影响*[J]. 真空, 2026, 63(2): 13-21. |
| [2] | 罗军文, 李志方. 印制电路板清洁化镀膜生产线的研制[J]. 真空, 2023, 60(2): 26-29. |
| [3] | 张玉琛, 张海宝, 陈强. 高功率脉冲磁控溅射制备ZnO薄膜的研究进展*[J]. 真空, 2021, 58(1): 72-77. |
| [4] | 岳玲, 石月娟, 马玉山, 刘海波, 周永兴, 张明明, 巩春志, 田修波. 内径20mm导向套筒内壁处理(1):空心阴极氩气放电特性研究*[J]. 真空, 2020, 57(2): 53-57. |
|