磁控濺射鐵鎂鍍層的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系

1、磁控濺射鐵鎂鍍層的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系 O. Bouaziz a, A. Billardb,摘要：鐵鎂鍍層在不同壓力和偏置條件下濺射沉積在玻璃和鋼基板上。鎂濺射的襯底偏壓在-75-100之間，強(qiáng)烈的副作用導(dǎo)致鎂含量梯度在中心與基板邊緣上有一個比較重要的氬植入。 在鎂含量達(dá)到20%而無氬時涂層密集結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓應(yīng)力和襯底偏壓分別為0.2Pa和-50V。隨著鎂含量增加，涂層從17%鎂的部分非晶相變?yōu)?7at%鎂的全非晶相。硬度測量表明，鎂富集相達(dá)到7%。增加的硬度取決于固溶效果。為了更高的鎂富集化，硬度降低符合逐步穩(wěn)定的非晶涂層。非晶涂層的結(jié)晶發(fā)生在200°C左右，并且飽和體心立方固溶體的混

2、合體源于鐵和密排立方的鎂。提高退火溫度，降低了體心立方相的晶格參數(shù)，因此，鎂飽和。最后表明，在300°C退火后，低鎂含量涂層（3at%鎂）同時出現(xiàn)體心立方的鐵和密排立方的鎂的衍射線，證明了鎂和鐵的不溶性符合熱力學(xué)平衡條件。關(guān)鍵詞：磁控濺射，鐵鎂涂層，結(jié)構(gòu)特征1.引言 降低鐵合金密度對鐵制造商構(gòu)成一個重大的挑戰(zhàn)，特別是汽車應(yīng)用方面。為了解決這個問題提出了不同的解決方案。因為加入了極低密度的鎂，鐵鎂合金有望提高機(jī)械性能與密度的比值。然而，涂層沉積過程需要構(gòu)成一種廉價的方法來降低合成大量鐵鎂合金的成本。本文探討其潛在的利益及其力學(xué)性能隨其鎂含量的關(guān)系。 鐵和鎂已知是熱力學(xué)不相溶的，特別是由

3、于其差異很大的原子半徑。因此，鐵鎂濺射沉積或蒸發(fā)涂層很少被研究到。目前，除了他們的多層納米涂層的磁場性質(zhì)和最近由于反射到透明過渡金屬的氫化物的轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)的鏡子MgFe2Hx進(jìn)一步加氫。在本文中，我們探討各種形式的中性氬氣氛下的鐵和鎂濺射沉積的富鐵鐵鎂涂層。通過反應(yīng)堆配置說明，我們目前最初的鐵配置用于這項研究。然后對放電參數(shù)的影響進(jìn)行調(diào)查，以確定基本濺射條件。對于致密的鐵鎂涂層的沉積是由其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能以及他們的熱穩(wěn)定性與他們的化學(xué)成分決定的。2.實驗步驟 鐵鎂涂層在室溫(b60 °C)濺射沉積在玻璃和鐵素體不銹鋼AISI 430基板上，同時濺射有兩個金屬靶的純氫。實驗裝置是一個40升

4、的濺射腔泵，也可以通過一個允許基本真空約10-4Pa的渦輪分子泵，配置有兩個靶相距120mm, 平行于靶的互相用旋轉(zhuǎn)襯底夾具。對著靶定位襯底，中心到襯底夾具為60mm,取50mm(DT-s)的距離。50mm距離的靶安裝在不平衡磁控管，并采用了先進(jìn)能源發(fā)電機(jī)（直流電源配備了20kHz Spark-le脈沖單位和/或Pinnacle+)?？刂芃KS流量計，是氬氣流量控制在40至20sccm，調(diào)節(jié)產(chǎn)氬壓力，使用aMKS Baratron衡量指標(biāo)，使其分別在0.4 和0.2 Pa。沉積是由固定放電執(zhí)行的，目前消退鐵靶在0.5A，通過改變放電電流消退鎂高達(dá)0.3A。實驗運(yùn)行時間為2小時并且適用襯底偏壓在

5、-50V-100V之間浮動。為了使載波片的固定好，要用表面暴露于金屬流的導(dǎo)電銅棒固定。用載玻片步驟法測量得涂層厚度約24m，球在鋼基板上運(yùn)行的Talysurf輪廓允許的精度在大約2030nm。通過使用掠射角X射線衍射(kCo=0.179 nm)和Inel衍射一個入射角4°，得到涂層的結(jié)構(gòu)特點。A Phillips FEG XL30S掃描電子顯微鏡還配備了能譜能源譜儀，用于化學(xué)成分的測量。 對應(yīng)力進(jìn)行測量，測量沉積后產(chǎn)生的薄鋼懸臂(100m的4x50mm)的曲率。最初真空下550°C退火1小時。利用光學(xué)顯微鏡與動產(chǎn)表進(jìn)行曲率測量，從而使測定的X/Z用不同的立場分懸臂。最后進(jìn)行

6、硬度測量，維氏壓痕采用10 g的恒載荷。最后，保持AISI 430基板上2小時的所選擇的溫度，然后在300 °C的空氣中進(jìn)行退火處理。 圖1是用于本研究的鐵靶的具體配置，它源于以前的研究。它是將1.5mm厚的鐵環(huán)固定在一個銅環(huán)上，而外部有一個不銹鋼環(huán)和一個中央不銹鋼件，鐵螺絲桿件和銅件通過不銹鋼件相連。靶的不同部分的尺寸為優(yōu)化實驗，為避免鐵加熱和增加放電產(chǎn)生以前的配置和相關(guān)的雜質(zhì)(Cu 或 Cr)進(jìn)入鍍層。3.結(jié)果和討論 3.1測定基本沉積條件。 3.1.1表面形貌和組成 首次運(yùn)行對本次研究的基本條件進(jìn)行了修復(fù)。因此，鐵(0.5 A)和鎂 (0.1 A) 受到0.4Pa的氬氣壓力和在

7、襯底上的浮力。照片（圖2）顯示了金相的形貌和特征及其較低的密集度。襯底偏壓會影響涂層致密度。EDS描繪出從薄膜的中心到邊緣對著靶的位置被沉積在25×25mm的AISI 430基板上并且襯底偏壓在-50-100V之間，發(fā)現(xiàn)其鎂含量的一個重要的演化，強(qiáng)烈的副作用的特征。這種副作用在襯底偏壓為-100V比-75V時更明顯。而且在-50V消失了。后來試樣的中心的鎂含量的增加了而襯底偏壓絕對值減小，這兩個事實對鎂的優(yōu)先磁控濺射是密切相關(guān)的，就像如前所述的Al-Mg涂層的其他情況。此外，涂層的富鎂區(qū)在-75-100V也出現(xiàn)重要的氬含量(78 at%)，植入的過程取決于偏壓。氬植入被假定為在一個具

8、體的表面形貌與許多坑的出現(xiàn)（圖2C，D）。由于薄膜在-50V偏壓沉積時，氬(0.5 at.%)襯底偏壓相當(dāng)自由，出現(xiàn)了一種反射面（圖2B），這個襯底偏壓被保留做進(jìn)一步實驗。3.1.2.應(yīng)力測量 應(yīng)用斯托尼公式對內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測量后確定產(chǎn)生的曲率。用一塊0.30.2Pa，襯底偏壓在-50 -75V的懸臂式薄鋼板。由于鎂含量較低，鍍層屈服于內(nèi)部壓應(yīng)力。成為提交越來越多的拉應(yīng)力與鎂富集相。同樣地，已經(jīng)提到的其他金屬其MT/MG比率也有眾所周知的影響。增加金屬原子撞擊的平均能量使含量在壓應(yīng)力到拉應(yīng)力過渡加強(qiáng)，例如通過增加氬氣壓力或增加負(fù)襯底偏壓的絕對值。然而，涂層在0.2Pa與偏壓為-50V時沉積，仍然提

9、交內(nèi)部壓應(yīng)力達(dá)到約20at%鎂。這些條件導(dǎo)致無論鎂含量達(dá)到多少，薄膜的反射表面仍然被保留為以下的研究。圖1。專為這項研究設(shè)計的50mm直徑的鐵靶圖2。鐵鎂涂層在0.4Pa沉積的表面形貌是A，襯底偏壓為-50V、-75V、-100V的浮動潛力分別為B、C、D圖3。 鎂和氬在0.4Pa涂層沉積從中心到邊緣的外形與襯底偏壓的函數(shù)曲線圖圖4.內(nèi)應(yīng)力隨在不同氬氣壓力和不同襯底偏壓下沉積的鐵鎂涂層的鎂含量的變化3.2.薄膜性能與基本沉積條件 3.2.1.結(jié)構(gòu)特點 圖5展示了鐵鎂涂層以0.2Pa和-50V的襯底偏壓沉積在載玻片上的XRD譜。無論涂層的鎂含量為多少，單晶相是體心立方鐵氧體。鎂含量的增加產(chǎn)生鐵氧

10、體衍射線向低衍射角和晶格常數(shù)相應(yīng)增加的轉(zhuǎn)變，并逐步增加其全寬半高（半高寬），出現(xiàn)晶粒細(xì)化。請注意，轉(zhuǎn)變是很重要的，達(dá)到大約11at%鎂，并探討的主要考慮的是（211）鐵從11at%到27at%鎂的界線。在含有37at%鎂時，涂層是全非晶態(tài)，但當(dāng)涂層的鎂含量達(dá)到17at%時，非晶相的存在可以被檢測到。因此，可以認(rèn)為鎂含量不超過11at%時可以溶解到晶格鐵氧體，涂層中含有1530at%鎂。構(gòu)成的體心立方的-Fe(Mg)晶體下降部分植入越來越小的無定形的鐵，鎂矩陣。3.2.2.測量硬度 用一個10g的載荷對這一系列試樣測量維氏硬度。注意這些測量都大致符合壓痕深度約0.81m。然后由于涂層的致密在24

11、m之間，沒有遵守巴克兒規(guī)則。這些硬度的測量參見圖6。同厚度的相關(guān)薄膜的使用質(zhì)量和其結(jié)構(gòu)特點是密切相關(guān)的。特點: 鎂含量達(dá)到7at%，硬度從大約0.52GPa增加到0.64GPa。這是主要取決于固溶效果。事實上，觀察這一區(qū)域的相組成，并沒有顯著的晶粒細(xì)化。鐵涂層(0.52 GPa)硬度的高價值被認(rèn)為是從半高寬的鐵涂層的馬氏體結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的。鎂含量在7at%20at%之間時，鐵鎂硬度由于增加了部分非晶相和減少了部分晶體鐵氧體的綜合作用從0.6下降到0.4 GPa，這個理論已經(jīng)被Petch， Hall 提出過。鎂含量超過20at%時，無論鎂的含量，主要組成涂層的非晶相具有很多相同的硬度。事實上，增

12、加涂層的鎂含量，硬度輕微上升。由于襯底偏壓的作用，厚度增加受到重大限制。這是硬度低于涂層的硬度。圖5.鐵鎂涂層沉積在玻璃板上鎂含量(PAr=0.2 Pa, Vs=50 V)的X射線衍射圖.圖6。維氏硬度在10g的載荷和鐵鎂涂層沉積在AISI 430基板上對鎂含量的關(guān)系 3.2.3.退火處理 涂層沉積在鋼基板上退火處理最后完成從150°C300°C,（圖7） 。最初無定形涂層鎂含量約為37at%,非晶相結(jié)晶發(fā)生在大約200° C時，與密排立方富鎂相的外觀衍射線特征。同時在非晶相的體心立方Fe(Mg)和密排立方鎂相的晶體階段相當(dāng)高。擴(kuò)大體心立方Fe(Mg)階段可以發(fā)現(xiàn)

13、，衍射線伴隨著輕微位移向低角度的特點，純體心立方Fe表現(xiàn)出較高的晶格常數(shù)比。提高退火溫度，超過200產(chǎn)生位移特征衍射，并且走向更高的角度。由于鐵衍射線上存在偏差，涂層與襯底相比符合。這個行為解釋如下：在200時，非晶相的結(jié)晶產(chǎn)生細(xì)結(jié)晶飽和體心立方Fe(Mg)相和密排立方Mg之一。提高退火溫度促進(jìn)金屬不溶性，如鐵和鎂。分離，這分為晶格參數(shù)的減小和晶粒粗化的兩個階段。它可以被認(rèn)為，經(jīng)過300退火階段，共存階段是緊密排列的純的體心立方的鐵和密排立方的鎂，進(jìn)行平衡預(yù)測。事實上，鎂的低溶解度被鐵證實。盡管相當(dāng)?shù)玩V含量至3at%,退火溫度約300形成明確的證據(jù)。鎂的密排立方晶體這種現(xiàn)象在250時是不存在的

14、。還表明，鎂在鍍層的含量隨著鎂結(jié)晶溫度的降低而增加。最后，可以指出薄膜包含超過10at%的鎂含量增加了抗氧化的鐵。事實上，顏色會有干擾（黃色，棕色：大約20nm厚的氧化層）退火后出現(xiàn)約含鎂5at%，而涂層含有鎂10at%,鎂在300退火后會出現(xiàn)一個紫顏色（約30nm厚的氧化層），退火后在300的同一時間，會有一個明顯的藍(lán)色著色（大約70nm厚的氧化層），涂層約含鎂5at%。圖7. 退火溫度達(dá)到300°C，37at%鎂沉積在AISI430基板上的X射線衍射圖譜，及250和300°C 3at%涂層退火的X射線衍射花樣4.結(jié)論 在低壓力下對固定在一個旋轉(zhuǎn)的夾具上的玻璃和鋼基板上磁

15、控濺射鍍富鐵鐵鎂涂層，使用的是原來設(shè)定的鐵靶。涂層的鎂含量是非常敏感的參數(shù)，如壓力和襯底偏壓，致密均勻和化學(xué)性質(zhì)相同的涂層要在0.2Pa的低壓和-50V的襯底偏壓下獲得。對于更高的壓力，涂料是多孔的，屈服于內(nèi)部壓應(yīng)力并且由于更強(qiáng)烈的負(fù)襯底偏壓的副作用導(dǎo)致從試樣的中心到邊緣一個非常重要的鎂含量的變化關(guān)系被觀察到。 如同許多其他的金屬合金涂層，鎂濃縮產(chǎn)生體心立方Fe(Mg)晶粒細(xì)化增加了部分非晶相，檢測出了約17at%的鎂。一個薄膜的完整的非晶相被發(fā)現(xiàn)約含37at%的鎂。硬度測量表明，當(dāng)鎂濃縮至7at%時，和純鋁涂層相比，約為2025%，略有增加。然后一個相當(dāng)重要的硬度的下降和逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w相關(guān)

16、聯(lián)。而壓縮到廣泛內(nèi)應(yīng)力過渡發(fā)生在鎂含量在20at%時。退火處理完成達(dá)到300°C表明，薄膜分解成體心立方Fe(Mg)和密排立方Mg相階段，無論其組成是什么，在200到300°C之間，更高的鎂含量會有更低的分解溫度。因此，鎂相在薄膜上被檢測到含有3at%的鎂含量，這符合在熱力學(xué)平衡條件下鎂溶于鐵的非常低的溶解度。最后，結(jié)果表明，干預(yù)的色彩取決于表面氧化涂層，在更高的溫度和鎂含量增加到大約10at%時，超過此限制，薄膜在300°C時不能氧化1小時，這表明鎂在空氣中時鐵的氧化性能的有利影響。參考文獻(xiàn)1 R. Blanc, M. Belzons, Solid State

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