TiVN復合膜的微結構及力學性能的研究

唐美

摘 要：本文采用JGP450型反應磁控濺射儀，在室溫下分別沉積了不同V含量的TiVN復合薄膜，采用XRD-6000型X射線衍射儀分析薄膜的微結構；采用Scherrer公式結合XRD譜計算薄膜的晶粒尺寸；采用納米壓痕/劃痕儀測薄膜的硬度和膜基結合力；采用Dektak XT型探針式表面輪廓儀測薄膜的表面曲率，并結合Stoney公式計算薄膜的殘余應力。

關鍵詞：TiVN復合膜；微結構；顯微硬度；膜基結合力；殘余應力

中圖分類號：TG174.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0208-01

1 結果與討論

圖1為不同V含量的TiVN復合膜的XRD譜，由圖1所示，TiN薄膜為面心立方結構，擇優取向為TiN（111）晶面。當V含量為9.48at.%時，TiVN薄膜的XRD譜中出現VN（111）晶面衍射峰，隨著V含量的增加，VN（111）晶面衍射峰逐漸增強，TiN（111）晶面衍射峰先減弱后增強，且TiN（111）衍射峰逐漸向大角度偏移。因為原子半徑較小的V取代了TiN中Ti原子位置形成（Ti，V）N置換固溶體，減小了薄膜的晶格常數。當V含量增加到14.35at.%時，TiN（111）衍射峰的位置不再偏移。因為V在薄膜中的固溶度達到飽和，多余的V 原子與N原子結合以VN的形式存在，此時薄膜的微結構是TiVN和VN的雙相結構。

隨著V含量的增加，TiVN復合膜的晶粒尺寸先減小后增大。當V含量小于4.53at.%時，隨著V含量的增加，晶粒尺寸不斷減小，是因為V原子的加入促進了薄膜中新晶核的形成，抑制了薄膜晶粒的長大。當V含量增加到14.35at.%時，薄膜中形成了VN相，且隨著V含量的增加，VN相越來越多，而VN的晶粒尺寸較大，所以TiVN復合膜的晶粒尺寸變大。

隨著V含量的增加，TiVN復合膜的殘余壓應力及硬度均先增大后減小。當基體上的殘余應力為壓應力時，能對硬度起到強化作用。當V含量低于4.53at.%時，固溶強化、細晶強化同時還有壓應力強化，共同導致TiVN復合膜硬度的增加。但隨著V含量的繼續增加，TiVN復合膜的晶粒尺寸逐漸增大，且薄膜中VN相越來越多，再加上殘余壓應力的消除，導致了TiVN復合膜的顯微硬度急劇下降。隨著V含量的增加，TiVN復合膜的膜基結合力逐漸減小。說明V元素的加入并不能有效改善薄膜與不銹鋼基體的膜基結合力。

2 結語

（1）TiVN復合膜為面心立方結構，隨著V含量的增加，TiN（111）衍射峰逐漸向大角度偏移；TiVN薄膜的晶粒尺寸先減小后增大；當V含量低于9.48at.%時，TiVN薄膜中的V原子占據TiN晶格中Ti原子的位置，形成置換固溶體；當固溶度達到飽和時，多余的V與N結合形成VN相。（2）隨著V含量的增加，TiVN復合膜的殘余壓應力與硬度均先增大后減小。當V含量為4.53at.%時，復合膜的硬度達到最大值，為23 GPa。不同V含量的TiVN復合膜的膜基結合力較差， V元素的加入并不能有效改善薄膜與不銹鋼基體的膜基結合力。

參考文獻

[1]許俊華，曹峻，喻利花.TiVCN復合膜的微結構、力學性能與摩擦磨損性能研究[J].金屬學報，2012，05：555-560.

[2]馬冰洋，喻利花，許俊華.V含量對ZrVCN薄膜微結構及力學性能與摩擦性能的影響[J].粉末冶金材料科學與工程，2013，18（6）：869-873.

[3]胡紅霞，許俊華，喻利花.V含量對（Nb，V）N復合膜微結構、力學性能與摩擦性能的影響[J].粉末冶金材料科學與工程，2014（4）：635-640.