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0 引言
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在硬质涂层领域,氮化物受到了广泛的研究和应用,但是对氧化物的研究相对不足。 近年来,一些氧化物涂层,如氧化铝、氧化铬涂层,在切削刀具[1]、防腐[2]、阻渗[3-4] 涂层等方面表现出良好的应用前景。 在所有氧化物中,氧化铬的硬度最高[5],其纳米硬度可达40 GPa以上[6]。 此外,氧化铬涂层的摩擦因数低,耐磨性好,并具有很好的化学稳定性和热稳定性。 因此,氧化铬是一种良好的防护涂层材料,可用作耐磨和润滑涂层[7-10],在防腐蚀涂层方面也具有良好的应用前景。 另外,由于氧化铬很容易形成与 α-Al2O3 相同的晶体结构,许多研究者用氧化铬作为模板层,解决了在较低的温度下沉积 α-Al2O3 涂层的难题[11-13],在耐磨和阻渗涂层中具有良好的应用前景。 氧化铬涂层的沉积方法多样,如电弧离子镀[14-16],磁控溅射[17-18],热喷涂[19],化学气相沉积[20-21] 等。 其中,采用电弧离子镀沉积的氧化铬涂层的硬度一般可达30 GPa以上,并具有良好的工艺稳定性。
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涂层的组织结构对涂层的性能有重要影响[22-25]。 由于影响涂层的组织结构的机制复杂,目前的研究面对很多困难,且许多研究的结论并不一致[26]。 多数研究者对结晶取向的分析侧重于涂层沉积参数的影响,这些工艺参数主要包括沉积温度[27]、基体偏压[14,28-29]、气体流量[30-33]、沉积速率[34] 等。 作者在前期研究中,也分析了沉积氧化铬涂层过程中,直流偏压和射频自偏压对涂层结晶取向的影响[6]。 但是,上述研究并没有对这些工艺参数的影响机制进行深入的分析,难以形成系统的理论。 在理论研究方面,国外学者早已开展多年研究,Drift[35]较早地提出晶粒竞争生长的理论,用不同晶向生长速率的差异解释择优取向问题;Pelleg等[36] 在研究TiN的结晶涂层时,发现不同厚度涂层的结晶取向存在差异,并提出用界面能和应变能最小化原理来解释这种差异。 这种解释虽然在热力学上容易理解,但由于涂层的沉积往往是非平衡过程,导致这种解释有很大的局限性;Petrov等[37]将涂层的生长过程分为形核、岛状生长等多个阶段进行讨论,并总结了多种因素在各阶段的影响机制,从而能够系统地理解和控制涂层的结晶取向。 但Petrov的研究是在非晶基体上进行的,缺少对基体及过渡层影响的探讨。
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作为涂层生长的附着面,基体以及过渡层对涂层结晶取向具有重要影响。 例如,Pan等[38] 分别在非晶玻璃和掺氟氧化锡( Fluorine tin oxide,FTO)表面沉积TiO2 薄膜时发现,二者在结晶度、晶粒尺寸等方面表现有明显差别。 对于基体或过渡层影响结晶取向机制的理解一般是建立在对晶格匹配度分析的基础上,这在外延生长的薄膜中被深入研究[39-40]。 对于更一般的涂层,由于工艺条件不像外延生长那么严格,并且涂层厚度往往较厚,外延生长会产生极大的应力,所以涂层与基体或过渡层之间的界面一般不是外延界面。 因此,有必要从更多的角度理解基体或过渡层对涂层结晶取向的影响。
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文中将从基体晶粒尺寸角度,对沉积氧化铬涂层过程中,不同的基体和过渡层偏压对涂层结晶取向的影响机制进行分析。 并从能量和结晶过程相结合的角度,对涂层厚度增加过程中结晶取向的变化进行分析。
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1 试验
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1.1 试样制备
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涂层制备设备为自行研制的大尺寸矩形靶物理气相沉积( Physical vapor deposition, PVD)涂层设备,极限真空度优于5×10-4Pa,在真空室四周安装了高纯度矩形铬靶(568 mm×118 mm,纯度99.95%)。 工作气体为高纯氩气,反应气体为高纯氧气。 所用基体材料包括单晶硅片、硬质合金YT15、退火高速钢W18Cr4V(W18)。
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首先对硬质合金和高速钢试样进行打磨抛光,单晶硅片([111] 取向) 为已经抛光的成品,其表面粗糙度比抛光后的硬质合金和高速钢试样更小。 分别在去离子水、酒精、丙酮中对试样进行超声清洗,用压缩空气吹干表面液体,然后将样品安装于靶前16 cm处,并立即抽真空。 当真空室气压低于5 × 10-3Pa时,将样品加热至300℃,然后通入高纯氩气至气压2 Pa,打开偏压电源至1000 V,对样品进行辉光清洗20 min。镀膜前处理完成后,通入流量200 mL/min高纯氩气,电弧电流80 A,沉积纯铬过渡层。 最后,通入高纯Ar 200 mL/min,高纯O2 100 mL/min,电弧电流80 A,沉积氧化铬涂层。 纯铬过渡层和氧化铬涂层的详细参数见表1。
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(1) 为分析过渡层偏压对涂层结晶取向的影响,在硬质合金YT15 和硅片上分别沉积了无偏压的纯铬过渡层和有偏压的纯铬过渡层,过渡层沉积时间都是3 min。 施加负偏压时,先在-300 V条件下轰击1 min,然后降低偏压到-50 V,沉积2 min。然后进行氧化铬涂层沉积,沉积时间18 min。
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(2) 为分析基体材料的影响,分别在YT15、硅片以及高速钢表面沉积了氧化铬涂层,沉积时间为36 min。 3 种基体都预先沉积了3 min的纯铬过渡层,过渡层无偏压。
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(3) 为分析硅片表面粗糙度的影响,将喷砂处理的硅片与普通抛光硅片同时沉积纯铬过渡层和氧化铬涂层。 沉积过程均无偏压,过渡层沉积时间3 min,氧化铬沉积时间18 min。
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(4)在分析过程中发现,涂层厚度对结晶取向也有一定的影响,于是分别在3 种基体上沉积了不同厚度的氧化铬涂层。
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1.2 表征与分析
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沉积涂层后, 首先进行XRD检测, 使用D/max 2500 型X射线衍射仪,采用Cu靶( λ 0.1542 nm),按照 θ/2θ 扫描方式测试涂层的X射线衍射图谱,2θ 扫描角度范围为20°~80°;然后观察涂层断面的结晶形态,采用液氮浸泡冷却的方法, 获得涂层脆性断面, 使用ZEISS SUPRA55 型场发射扫描电子显微镜, 加速电压5/10 kV,工作距离5 mm,放大倍数40 k。
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在分析Cr2O3 涂层结晶取向时,由于不同样品的整体衍射强度不同,不能直接进行对比。 在判断不同样品结晶取向差异时,使用各衍射峰在三强峰中的相对强度 I r[hkl] 来表述。 如三强峰[104],[110] 和[006] 的强度分别为 I [104],I [110]和 I [006], 那么[104] 衍射峰的相对强度 I r[104]=I [104 ]/(I [104]+ I [110]+ I [006])。
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2 结果与讨论
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用扫描电子显微镜对涂层的断面形貌进行观察,如图1 所示。 从截面上可以清晰地看出涂层分上下两层,层间界限清晰。 表层是氧化铬涂层,厚度约1.5 μm,在不同基体和工艺下均呈现出显著的柱状结构。 下层为纯铬过渡层,无偏压时,过渡层的厚度约为150 nm,有偏压时约为90 nm。 由于过渡层厚度较小,无法辨识出明显的织构。 有偏压时过渡层较薄,这一方面是由于
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图1 不同基体上Cr2O3 涂层的断面形貌
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Fig.1 Cross section images of Cr2O3 coatings on various substrates
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离子轰击的二次溅射效果,特别是前一分钟偏压较高,沉积速率非常低;另一方面是由于离子轰击使涂层致密化[41],在图1( b)( d)中可以看出,有偏压的过渡层组织较其他试样更加致密。
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观察所有样品的XRD图,对照衍射数据库ICSD中卡片70-3765,发现涂层均符合刚玉型 α-Cr2O3;所有涂层均包含过渡层铬的衍射峰,过渡层为面心立方结构,只能分辨出[110]衍射峰;此外,由于涂层较薄,多数涂层包含了基体的衍射峰。
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2.1 过渡层偏压对涂层结晶取向的影响
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由于所有样品的氧化铬涂层都是在纯铬过渡层的基础上生长的,涂层的形核和岛状生长阶段会受到过渡层性质的直接影响。 过渡层的性质一方面受基体影响,另一方面会受到过渡层偏压的影响。 此处首先分析过渡层偏压对涂层结晶取向的影响,基体的影响会在2.2 详细讨论。
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图2 为YT15 基体上沉积18 min氧化铬涂层的X射线衍射图谱。 试样YT15-18 全程没有偏压,YT15-18B在沉积过渡层的过程中施加了偏压。 在过渡层无偏压时, 氧化铬的衍射峰以[104]、 [ 006] 为主, 相对强度分别为 I r[104] ≈46.9%, I r[006] ≈46.3%。 此外还有明显的[116]衍射峰。 在过渡层有偏压时,[006] 衍射峰相对强度急剧降低至9%,[104]衍射峰相对强度增至69.7%,成为最强的衍射峰,[116]衍射峰相对强度也增至21.3%。 同时可以发现,过渡层偏压使铬的[110]衍射峰大幅降低。
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图2 过渡层有偏压和无偏压YT15 基体上沉积18 minCr2O3 涂层的XRD图谱
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Fig.2 XRD patterns of Cr2O3 coatings deposited on YT15 substrate for 18 min with and without bias when interlayer was deposited
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同时在硅片上沉积的氧化铬涂层的取向也明显受到过渡层偏压的影响,如图3 所示。 无偏压时,[006]衍射峰的相对强度达到87.4%,远远高于其他衍射峰。 施加过渡层偏压后, 尽管[006] 依然是最强峰, 但其强度显著降低至61.9%。 [104]衍射峰的相对强度显著增加,从无偏压时的约9.2%,增加至有偏压时约29.4%,[116] 衍射峰的相对强度也由3.4%增加到8.7%。 过渡层铬的衍射峰强度,同样是无偏压远高于有偏压。
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图3 过渡层有偏压和无偏压抛光硅片基体上沉积18 min Cr2O3 涂层的XRD
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图Fig.3 XRD patterns of Cr2O3 coatings deposited on polished silicon substrate for 18 min with and without bias when interlayer was deposited
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高速钢基体的表现与YT15 基体相似。 如图4 所示,无偏压时,[006]衍射峰的相对强度为64.5%,[104] 的相对强度为29.8%。 施加偏压后,[006]的相对强度降为30.8%,[104]衍射峰显著高于[006]衍射峰,达到54.9%,[116]衍射峰的相对强度也由5.7%增加至14.3%。 由于基体中铁与过渡层铬的衍射峰相近,无法看到铬的衍射峰。
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尽管由于基体的原因,3 种基体的衍射图有所差别,但过渡层偏压造成的效果却有很多相似性。 一是[006]衍射峰的相对强度显著降低,降低幅度27%以上,[104] 和[116] 的相对强度提高,提高幅度分别在20%和6%以上;二是过渡层铬的衍射峰显著降低。 由于氧化铬的沉积工艺参数完全相同,且氧化铬只与过渡层直接接触,可以认为,氧化铬结晶取向改变的直接原因是过
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图4 过渡层有偏压和无偏压高速钢基体上沉积18 minCr2O3 涂层的XRD图谱
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Fig.4 XRD patterns of Cr2O3 coatings deposited on HSS substrate for 18 min with and without bias when interlayer was deposited
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渡层铬的变化。 铬的衍射峰的降低,一部分原因是偏压下其厚度较小,但这与衍射峰强度的降低程度不成比例,也不足以解释其对氧化铬结晶取向的影响,所以,主要原因应该是铬的组织结构由于偏压发生了改变。 一般认为,涂层沉积过程中,基体负偏压会造成离子轰击,达到细化晶粒的效果,从而造成XRD衍射峰宽化和强度降低[42-43]。 这与作者在SEM观察到的膜层断面组织是吻合的。 因此,过渡层偏压会使过渡层晶粒细化,进而影响涂层的结晶取向。
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2.2 基体材料对结晶取向的影响
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为了对比硅片、高速钢和YT15 这3 种基体对氧化铬结晶取向的影响,在3 种基体上沉积了3 min纯铬过渡层和36 min氧化铬,镀膜过程都没有施加偏压。 图5 为涂层的XRD图,3 种基体上的涂层表现出不同的结晶取向。 硅片基体涂层的[006]衍射峰占绝对优势,相对强度72.2%,[104] 和 [ 116] 的相对强度分别为15.3%和12.5%;高速钢基体上也是以[006]衍射峰最强,相对强度约为47%,但[104]和[116]衍射峰分别达到32.6%和20.6%, 较硅片有明显增强;YT15 基体上的[ 104] 衍射峰相对强度达到约41.4%,超过[ 006] 衍射峰(相对强度36.6%),[116]的相对强度也达到约22%。 这种现象说明,在不同的基体上沉积的涂层的结晶取向会受到基体的影响,即使用相同工艺沉积了过渡层, 也不能屏蔽这种影响。
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图5 分别在抛光硅片、高速钢(HSS)和YT15 基体上沉积36 min Cr2O3 涂层的XRD图谱
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Fig.5 XRD patterns of Cr2O3 coatings deposited on polished Si, high speed steel(HSS) and YT15 substrates for 36 min
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由于基体必须通过过渡层影响涂层的结晶,因此必须进一步分析过渡层的差别。 3 个样品都只有铬的[110] 衍射峰,该衍射峰在YT15 上最弱,在硅片和高速钢的强度较强,通过衍射峰的半高宽定性分析晶粒尺寸的大小,可以发现铬在硅片上的晶粒尺寸最大,高速钢次之,YT15 最小。 从趋势上看,过渡层的晶粒越细,越不利于[006]结晶取向,这与上一节得到的结论相同。进一步分析可以发现,基体本身的晶粒尺寸也有这样的趋势,单晶硅的晶粒最大,高速钢的晶粒度等级一般在6~12 之间[44-45],相应的晶粒尺寸约5.6~44.9 μm,而YT15 中的硬质颗粒直径大多在2 μm以下。 据此,可以得到初步的结论:基体的晶粒尺寸会影响过渡层的晶粒尺寸,进而影响涂层的结晶取向。
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基体的晶粒尺寸与过渡层的晶粒尺寸有一定的正相关性,这可能是与过渡层沉积初始阶段的形核率有关。 据报道,在薄膜物质开始形核时,基体缺陷处具有更好的形核条件,缺陷多的基体具有更高的形核密度[40]。 对于文中用到的YT15 和高速钢,二者属于多晶材料,其晶界处的能量较高,有利于铬的形核。 晶粒越细,晶界密度越高,相应的形核密度越高,于是过渡层铬的晶粒越细。 对于单晶硅,由于缺少晶界,形核相对困难,因此形核密度低,相应的铬的晶粒较大。从图中可以看出,单晶硅的[006]衍射峰与高速钢和YT15 差别非常显著,这与单晶硅与多晶材料在表面缺陷密度上的巨大差异是相符合的。
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为了进一步验证上述结论,将硅片的一半用挡板保护原始的抛光镜面,粗糙度小于0.5 nm,另一半用喷砂的方法人为制造了一些缺陷,然后沉积纯铬过渡层和氧化铬涂层。 用XRD测试结晶取向,结果如图6 所示。
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图6 抛光硅片和喷砂硅片上沉积18 min Cr2O3 涂层的XRD图谱
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Fig.6 XRD patterns of Cr2O3 coatings deposited on polished and sand-blasted Si for 18 min
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对比在抛光硅片与喷砂后的硅片上沉积的氧化铬涂层的衍射峰,发现喷砂前后表现出显著的差异。 抛光硅片基体上,[006] 衍射峰占绝对优势,而喷砂后的硅片上,[006]衍射峰被[104]大大反超,[116]衍射峰也显著增强。 此外,喷砂后硅片上的纯铬过渡层的衍射峰显著降低并宽化,其在镜面硅片上的半高宽为0.437°,在喷砂硅片基体上半高宽为0.58°,说明喷砂造成了过渡层的晶粒细化。
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综合过渡层偏压和基体材料的影响,可以得到进一步的结论:氧化铬涂层的结晶取向会受其在沉积初始阶段的形核密度的显著影响。 对此,可以用表面能的理论进行解释。
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首先,当薄膜材料在基体或过渡层表面形核后,涂层仍处于岛状生长阶段,涂层的生长以平行表面的二维生长为主[26,40]。 此时,表面的吸附原子具有较强的扩散能力,倾向于向稳定的晶核扩散并被其捕获,使得小岛长大并互相接触。 在这个过程中,不同取向的小岛具有不同的生长速率,具有低表面能取向的晶粒,其上表面的表面能较低,周边晶面的表面能相对较高,对周围原子的吸附能力较强,具有较高的横向生长速率;具有高表面能取向的晶粒,其上表面的表面能较高,周边晶面的表面能相对较低,横向生长速率较低。 也可以从能量最小化的角度看:基体表面吸附原子优先向低表面能取向的小岛富集,有利于使总体表面能最小化。 对于氧化铬,[006] 晶面是氧原子密排面,表面能较低,具有[006]取向的晶粒在岛状生长阶段具有一定的优势。 在这种情况下,如果形核密度较低,各个晶粒间距较大,那么岛状生长的阶段较长,于是更有利于[006]取向的晶粒;如果形核密度较高,各个小岛很快相互连接,那么低表面能取向晶粒的横向生长优势会受到限制, 高表面能取向晶粒会相对增强。
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2.3 厚度对结晶取向的影响
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在三种基体上, 对比不同厚度的涂层中[104]、[006]、[116] 这3 个主要氧化铬的衍射峰,计算各衍射峰的相对强度 I r[hkl], 图7~图9 所示分别为YT15、硅片和高速钢基体上,分别镀5、9、18 和36 min(自下而上)氧化铬,X射线衍射图和三强峰的相对强度变化趋势。
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不难看出,在涂层较薄时,[006]衍射峰都占有绝对优势,进一步说明低表面能取向晶粒在涂层生长初期的优势。 基体晶粒尺寸对涂层取向的影响,在不同厚度的涂层中仍然符合预期,并且涂层越薄,这种影响越显著。
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对于所有基体,随着厚度的增加,[ 104] 和[116]所占比例越来越大,[006]比例相对减小。在YT15 基体上沉积5 min的氧化铬,[006]峰的相对强度约为73%, [ 104] 峰的相对强度约为22.5%。 沉积36 min氧化铬,[006]峰相对强度约为37.2%, [ 104] 峰的相对强度为41.6%,[104]峰明显超过[006]峰;在硅片基体上沉积的氧化铬,尽管[006]峰一直占主导,但随着沉积时间从5 min增加到36 min,其相对强度从93.6%下降到71.9%,而[104]的相对强度则从4.6%增加至15.7%;在高速钢基体上,沉积5 min的氧化铬, [ 006] 衍射峰的相对强度约为91.8%,[104]为8.2%。 沉积36 min的氧化铬,[006]峰的相对强度降低至约47%,[104]峰的强度增加至33.8%。 在YT15 基体上, 当沉积时间由
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图7 YT15 基体上厚度对Cr2O3 涂层的结晶取向的影响
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Fig.7 Effects of coating thickness on the crystal orientation of Cr2O3 coatings deposited on YT15
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需要注意的是, [ 104] 和 [ 116] 的增强和[006]的减弱不是由于晶粒趋向于随机取向造成的。 尽管在随机取向的氧化铬衍射数据中,[104]和[116] 衍射峰均强于[ 006] 衍射峰,但是,将沉积36 min的衍射峰和数据库中的衍射峰进行对比,可以发现二者有很大的差别:数据库卡片中的三强峰依次为[104]、[110] 和[012],[116]衍射峰相对较弱。 如果涂层趋于随机取向,三强峰都应该显著增强,然而这里并没有明显看到[110] 和[012] 这两个衍射峰。 因此,涂层厚度增加是改变了晶粒的择优取向,并不是使晶粒趋于随机取向。
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综上所述,氧化铬涂层的厚度会影响涂层的结晶取向。 在涂层较薄时以低表面能取向为主,
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图8 抛光Si基体上厚度对Cr2O3 涂层的结晶取向的影响
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Fig.8 Effects of coating thickness on the crystal orientation of Cr2O3 coatings deposited on polished Si
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随着厚度的增加,高表面能取向逐渐占优。 这种变化具有一定的普遍性,例如Zeitler等[46] 在沉积TiN涂层时发现,随着厚度的增加,涂层由低表面能取向转变为高表面能取向。 对于这种现象的成因,有研究者从热力学的角度去解释,认为这是界面能最小化的结果,或者认为是表面能和应变能最小化的结果[36,46]。 图10 为两种厚度的涂层中晶粒的示意图,选取其中m和n两个晶粒为代表,用 γ 表示其各晶界的界面能。 对晶粒m来说,由于涂层较薄,晶粒侧面的面积相对较小,整个晶粒的界面能以上下表面的界面能 γa γb为主,因此结晶取向应使上下面的界面能最小;当涂层较厚时,如图10 中晶粒n,晶粒侧面的面积相对较大,整个晶粒的界面能以 γc′ 和 γd′ 为主,因此,结晶取向优先使侧面的界面能最小。
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图9 高速钢基体上厚度对Cr2O3 涂层的结晶取向的影响
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Fig.9 Effects of coating thickness on the crystal orientation of Cr2O3 coatings deposited on HSS
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图10 不同厚度的涂层中晶粒的界面能
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Fig.10 Interface energy of crystalline in coatings with different thick
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对于氧化铬涂层,在涂层很薄时,晶粒取向为[006],上下面是低表面能面,总体界面能较低; 在涂层较厚时,如果晶粒取向仍为[006],那么侧面的界面能相对较大,无法保证系统的总体界面能为最小。 因此,文中的结果也可以用界面能最小化的原理解释。
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但是,上述解释是基于热力学平衡的观点,对于扩散能力较强的表面吸附原子尚可以接受,而对于相对较低温度下沉积的涂层来说,其沉积过程往往是非热力学平衡的过程,已经固定在晶格内的原子难以自由扩散。 当晶粒的侧面表面能超过上下表面时,结晶取向不可能发生突变。因此,单纯用热力学的理念去理解不能得到令人信服的结论。 这种情况下,有必要分析结晶的过程是如何影响结晶取向的。
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图11 为涂层的结晶及生长过程示意图。 在岛状生长阶段,低表面能取向晶粒具有横向的生长优势,占有较大的覆盖面积;当岛状生长结束时,由于高表面能取向晶粒具有较高的纵向生长速率,高表面能取向晶粒会高出低表面能取向晶粒,形成图中所示的遮挡效果[26];在层状生长阶段,由于低表面能取向晶粒的生长速率较低,叠加遮挡效果,在以后的生长阶段处于劣势,高表面能取向晶粒纵向生长迅速,并逐渐向周围扩
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图11 结晶取向随涂层厚度的演化原理
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Fig.11 Schematic illustration of the evolution of crystal orientation as the increasing of coating thickness
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张,低表面能取向晶粒的生长空间受到压缩;到了层状生长阶段中后期,高表面能取向晶粒所占比例逐渐增加,最终超过低表面能取向晶粒,形成一些近似楔形的组织。
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3 结论
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(1)氧化铬涂层的结晶取向会受到过渡层偏压的显著影响,过渡层偏压会导致[006]相对强度下降约25%~37%,偏压造成的晶粒细化有利于[104]和[116]取向。
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(2)氧化铬涂层的结晶取向会受到基体的显著影响,基体晶粒尺寸较大有利于[ 006] 取向。硅片上[006]的相对强度约为YT15 基体上的2倍,高速钢基体居中。 基体晶粒尺寸小时有利于[104]和[116]取向,YT15 基体上[104]和[116]的相对强度约为硅片上的3 倍和2 倍;
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(3)氧化铬涂层的厚度对结晶取向有显著影响,涂层较薄时,各种材料上的涂层都表现出[006 ] 择优取向, 涂层厚度从5 min增加至36 min会导致[006]的相对强度在3 种基体上的相对强度下降约22%~45%,导致[104] 增强约11%~26%。
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(4)上述现象可以用表面能最小化的原理以及涂层的结晶特点来解释:涂层生长的初期,低表面能取向的晶粒具有生长优势,但基体晶粒细化以及偏压导致的过渡层晶粒细化会导致的涂层形核密度增加,进而减弱或消除低表面能取向晶粒的生长优势;涂层生长中后期,高表面能取向的晶粒生长较快,并可产生遮挡效果,最终超过低表面能取向的晶粒。
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摘要
硬质涂层的结晶取向会受多种因素的影响,其影响机制存在很多争议。 采用电弧离子镀方法,分别在硬质合金 YT15、单晶硅片以及高速钢(HSS)表面沉积了纯铬过渡层和不同厚度的 Cr2O3 涂层。 用扫描电子显微镜( SEM) 观察了涂层的断面形貌,用 X 射线衍射(XRD)研究了涂层的结晶取向。 研究发现:涂层生长初期主要表现为[ 006] 取向;过渡层偏压会使涂层的[006]衍射峰的相对强度降低 25%以上;基体的晶粒越细,越不利于[ 006]取向,有利于 [104]和[116]取向;随着涂层厚度增加,[006]相对强度降低 21% ~ 44%,[104]和[116]的相对强度分别增加 11% ~ 25%和 11% ~ 19%。 通过分析结晶取向的变化,发现结晶取向符合表面能最小化原理,并受结晶和生长条件的共同影响。
Abstract
The crystal orientation of hard coatings is affected by many factors, the mechanism of which is controversial. Cr interlayer and Cr2O3 coatings with different thickness were deposited by vacuum cathodic arc deposition on cemented carbide YT15, single crystalline silicon and high speed steel (HSS). The morphology of the cross section was obtained by Scanning electron microscope (SEM). The crystal orientation of the coatings was studied by X-ray diffraction (XRD). The study showed that [006] is the preferred orientation at the early stage of deposition; The application of substrate bias during the deposition of interlayer can decrease the relative intensity of [006] orientation by more than 27%; Small crystalline size of substrate can suppress [006] orientation and benefit [104] and [116] orientations. As the coatings grow thicker, relative intensity of [006] showed a decline of 21% ~ 44%, while for [104] and [116], the relative intensity increased 11% ~ 19% and 11% ~ 25% respectively. Further analysis of the crystal orientation shows that it is consistent with the principle of surface energy minimization and influenced by conditions of crystallization and grain growth.
Keywords
cathodic arc deposition ； crystal orientation ； Cr2O3 ； crystalline size
