專利名稱：SiC/TiN超硬納米多層膜及其制作工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種多層膜及其制作工藝，尤其是一種SiC/TiN超硬納米多層膜及其制作工藝，屬于陶瓷薄膜領域。
背景技術：
現(xiàn)有技術中金屬材料工模具的氣相沉積表面鍍覆強化層通常采用氮化物、碳化物或者碳氮化物單層膜，例如TiN、TiC、Ti(CN)等。其中TiN薄膜因具有良好的抗磨減摩性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用；但其存在硬度仍不夠高等不足之處，在一些應用領域尚不能滿足工模具工況高要求的需要。尋求具有超高硬度和超高模量的薄膜材料組成體系及其微結構特征參數(shù)成為提高這些薄膜硬度的一條途徑。20世紀90年代發(fā)現(xiàn)一些納米多層膜中在超硬效應，此類薄膜是由兩種剪切模量不同的材料組成，由于兩種材料具有相似的晶格常數(shù)，因而易形成共格外延生長，層與層之間形成銳利的界面，即使在很高的溫度下也具有很高的不可互溶性。由于組成多層膜兩種材料的彈性模量差異，使得位錯在兩種材料中具有不同的位錯線密度，導致位錯運動在界面處受阻，又因為每一單層的厚度足夠小，位錯不能在單層中增殖，從而提高了薄膜的硬度、彈性模量和斷裂強度等力學性能。經(jīng)過對文獻的檢索發(fā)現(xiàn)U.Helmersson等人在《Journal of Applied physics》1987，62(6)481-484上發(fā)表的“Growth of single-crystal TiN/VN strained-lay superlattice withextremely high mechanical hardness”(《應用物理雜志》，“高硬度單晶TiN/VN應變層超晶格的生長”)一文，該文介紹了材料體系為TiN/VN納米多層膜，當調(diào)制周期為5.2nm時，其最高硬度可達55.6GPa。由于不同的高硬度薄膜材料體系在工業(yè)上有不同的應用范圍，進一步提高薄膜硬度也可以提高其作為涂層時的力學性能從而提高涂層的使用功能，所以需要發(fā)現(xiàn)具有更高硬度的不同材料體系的硬質薄膜材料。對文獻進一步檢索和分析，至今尚沒有發(fā)現(xiàn)本發(fā)明所采用的多層膜材料體系相同的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種新的材料體系的SiC/TiN超硬納米多層膜及其制作工藝，選取了晶格匹配良好的兩種氮化物和碳化物作為體系，使該種薄膜具有高硬度的優(yōu)異力學性能。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明納米多層膜由TiN層和SiC層交替沉積在金屬或陶瓷或其他材料的基體上組成，TiN層的厚度為4～50nm，SiC層的厚度為0.4～0.8nm，納米多層膜總厚度約為2～4μm。
本發(fā)明納米多層膜通過控制SiC層的厚度，可使亞穩(wěn)相的立方SiC在TiN層的模板作用下穩(wěn)定存在于納米多層膜結構中，納米多層膜中亞穩(wěn)相的立方SiC與TiN層形成共格外延生長的多晶超晶格。與之相應，納米多層膜產(chǎn)生硬度和彈性模量升高的的超硬效應，最高硬度超過60GPa。
本發(fā)明SiC/TiN超硬納米多層膜的制作工藝如下首先將金屬或陶瓷或其他材料的基體表面作鏡面拋光處理，然后通過在金屬或陶瓷或其他材料的基體上采用雙靶濺射交替沉積TiN層和SiC層制取SiC/TiN超硬納米多層膜，SiC和TiN材料采用濺射靶材提供。由此工藝獲得的多層膜具有34-60GPa的高硬度。
本發(fā)明工藝通過基體在TiN靶和SiC靶前交替停留獲得具有成分調(diào)制結構的納米多層膜，每一調(diào)制層的厚度由濺射靶的功率和基體在靶前的停留時間控制，濺射氣體為Ar，PAr＝2～10×10-1Pa。
本發(fā)明具有實質性特點和顯著進步，本發(fā)明選取了晶格匹配良好的兩種氮化物和碳化物作為體系，使該種薄膜具有高硬度的優(yōu)異力學性能，這種高硬度薄膜在工具、模具和其他耐磨工件上具有很大的實用價值，最高硬度可達60.5Gpa，彈性模量470GPa。


圖1本發(fā)明薄膜結構示意圖如圖1所示，本發(fā)明納米多層膜由TiN層1和SiC層2交替沉積在金屬或陶瓷的基體3上組成，TiN層1的厚度為4～50nm，SiC層2的厚度為0.4～0.8nm，納米多層膜總厚度約為2～4μm。
具體實施例方式
以下結合本發(fā)明的內(nèi)容提供實施例實施例一工藝參數(shù)為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間25秒，SiC靶濺射功率為60W，沉積時間5秒，由此得到的TiN/SiC薄膜中TiN層厚度約為4.3nm，SiC層厚度約為0.4nm，多層膜的硬度達到最高值30.1GPa。
實施例二工藝參數(shù)為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間25秒，SiC靶濺射功率為75W，沉積時間5秒，由此得到的TiN/SiC薄膜中TiN層厚度約為4.3nm，SiC層厚度約為0.6nm，多層膜的硬度達到最高值60.5GPa。
實施例三工藝參數(shù)為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間25秒，SiC靶濺射功率為100W，沉積時間5秒，由此得到的TiN/SiC薄膜中TiN層厚度約為4.3nm，SiC層厚度約為0.81nm，多層膜的硬度降低到34.4GPa。
實施例四工藝參數(shù)為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間1分55秒，SiC靶濺射功率為75W，沉積時間5秒，由此得到的TiN/SiC薄膜中TiN層厚度約為20nm，SiC層厚度約為0.6nm，多層膜的硬度值為44.7GPa。
實施例五工藝參數(shù)為TiN靶濺射功率為100W，沉積時間4分55秒，SiC靶濺射功率為75W，沉積時間5秒，由此得到的TiN/SiC薄膜中TiN層厚度約為50nm，SiC層厚度約為0.6nm，多層膜的硬度值為43.1GPa。
權利要求
1.一種SiC/TiN超硬納米多層膜，其特征在于，由TiN層(1)和SiC層(2)交替沉積在金屬或陶瓷的基體(3)上組成，TiN層(1)的厚度為4～50nm，SiC層(2)的厚度為0.4～0.8nm，納米多層膜總厚度為2～4μm。
2.根據(jù)權利要求1所述的SiC/TiN超硬納米多層膜，其特征是，通過控制SiC層(2)的厚度，使亞穩(wěn)相的立方SiC在TiN層的模板作用下穩(wěn)定存在于納米多層膜結構中，納米多層膜中亞穩(wěn)相的立方SiC與TiN層形成共格外延生長的多晶超晶格。
3.一種SiC/TiN超硬納米多層膜的制作工藝，其特征在于，首先將金屬或陶瓷的基體(3)表面作鏡面拋光處理，然后通過在金屬或陶瓷的基體(3)上采用雙靶濺射交替沉積TiN層和SiC層制取SiC/TiN超硬納米多層膜，SiC和TiN材料采用濺射靶材提供。
4.根據(jù)權利要求3所述的SiC/TiN超硬納米多層膜的制作工藝，其特征是，通過基體(3)在TiN靶和SiC靶前交替停留獲得具有成分調(diào)制結構的納米多層膜，每一調(diào)制層的厚度由濺射靶的功率和基體在靶前的停留時間控制，濺射氣體為Ar，PAr＝2～10×10-1Pa。
全文摘要
一種SiC/TiN超硬納米多層膜及其制作工藝，屬于陶瓷薄膜領域。SiC/TiN超硬納米多層膜由TiN層和SiC層交替沉積在金屬或陶瓷的基體上組成，TiN層的厚度為4～50nm，SiC層的厚度為0.4～0.8nm，納米多層膜總厚度為2～4μm。本發(fā)明SiC/TiN超硬納米多層膜制作工藝首先將金屬或陶瓷的基體表面作鏡面拋光處理，然后通過在金屬或陶瓷的基體上采用雙靶濺射交替沉積TiN層和SiC層制取SiC/TiN超硬納米多層膜，SiC和TiN材料采用濺射靶材提供。本發(fā)明選取了晶格匹配良好的兩種氮化物和碳化物作為體系，使該種薄膜具有高硬度的優(yōu)異力學性能，這種高硬度薄膜在工具、模具和其他耐磨工件上具有很大的實用價值，最高硬度可達60.5GPa，彈性模量達470GPa。
文檔編號C23C14/06GK1470671SQ0312954
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月26日 優(yōu)先權日2003年6月26日
發(fā)明者李戈揚, 勞技軍, 孔明, 戴嘉維, 張惠娟, 顧明元 申請人:上海交通大學