TiVN复合膜的微结构及力学性能的研究

唐美

摘 要：本文采用JGP450型反应磁控溅射仪，在室温下分别沉积了不同V含量的TiVN复合薄膜，采用XRD-6000型X射线衍射仪分析薄膜的微结构；采用Scherrer公式结合XRD谱计算薄膜的晶粒尺寸；采用纳米压痕/划痕仪测薄膜的硬度和膜基结合力；采用Dektak XT型探针式表面轮廓仪测薄膜的表面曲率，并结合Stoney公式计算薄膜的残余应力。

关键词：TiVN复合膜；微结构；显微硬度；膜基结合力；残余应力

中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）13-0208-01

1 结果与讨论

图1为不同V含量的TiVN复合膜的XRD谱，由图1所示，TiN薄膜为面心立方结构，择优取向为TiN（111）晶面。当V含量为9.48at.%时，TiVN薄膜的XRD谱中出现VN（111）晶面衍射峰，随着V含量的增加，VN（111）晶面衍射峰逐渐增强，TiN（111）晶面衍射峰先减弱后增强，且TiN（111）衍射峰逐渐向大角度偏移。因为原子半径较小的V取代了TiN中Ti原子位置形成（Ti，V）N置换固溶体，减小了薄膜的晶格常数。当V含量增加到14.35at.%时，TiN（111）衍射峰的位置不再偏移。因为V在薄膜中的固溶度达到饱和，多余的V 原子与N原子结合以VN的形式存在，此时薄膜的微结构是TiVN和VN的双相结构。

随着V含量的增加，TiVN復合膜的晶粒尺寸先减小后增大。当V含量小于4.53at.%时，随着V含量的增加，晶粒尺寸不断减小，是因为V原子的加入促进了薄膜中新晶核的形成，抑制了薄膜晶粒的长大。当V含量增加到14.35at.%时，薄膜中形成了VN相，且随着V含量的增加，VN相越来越多，而VN的晶粒尺寸较大，所以TiVN复合膜的晶粒尺寸变大。

随着V含量的增加，TiVN复合膜的残余压应力及硬度均先增大后减小。当基体上的残余应力为压应力时，能对硬度起到强化作用。当V含量低于4.53at.%时，固溶强化、细晶强化同时还有压应力强化，共同导致TiVN复合膜硬度的增加。但随着V含量的继续增加，TiVN复合膜的晶粒尺寸逐渐增大，且薄膜中VN相越来越多，再加上残余压应力的消除，导致了TiVN复合膜的显微硬度急剧下降。随着V含量的增加，TiVN复合膜的膜基结合力逐渐减小。说明V元素的加入并不能有效改善薄膜与不锈钢基体的膜基结合力。

2 结语

（1）TiVN复合膜为面心立方结构，随着V含量的增加，TiN（111）衍射峰逐渐向大角度偏移；TiVN薄膜的晶粒尺寸先减小后增大；当V含量低于9.48at.%时，TiVN薄膜中的V原子占据TiN晶格中Ti原子的位置，形成置换固溶体；当固溶度达到饱和时，多余的V与N结合形成VN相。（2）随着V含量的增加，TiVN复合膜的残余压应力与硬度均先增大后减小。当V含量为4.53at.%时，复合膜的硬度达到最大值，为23 GPa。不同V含量的TiVN复合膜的膜基结合力较差， V元素的加入并不能有效改善薄膜与不锈钢基体的膜基结合力。

参考文献

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