磁控濺射工藝參數(shù)對Cu_Al薄膜與Gd基底附著性的影響

1、材料保護(hù)第42卷第6期2009年6月29磁控濺射工藝參數(shù)對Cu,Al薄膜與Gd基底附著性的影響鄭小秋,吳衛(wèi),易榮喜,萬建新,龍岸文2(1.井岡山大學(xué)工學(xué)院,江西吉安343009;2.西華大學(xué)材料學(xué)院,四川成都610039)摘要為了探討Gd表面濺射保護(hù)膜的附著性能,利用直流磁控濺射技術(shù)在Gd基體上分別鍍Cu和Al膜。用掃描電鏡(SEM)和能譜儀對薄膜進(jìn)行表征,用引拉法測定了薄膜的附著強(qiáng)度。結(jié)果表明:Al膜表面質(zhì)量好,Al/Gd界面結(jié)合好,附著強(qiáng)度高,在優(yōu)化工藝參數(shù)條件下薄膜附著強(qiáng)度可達(dá)到27.60MPa;Cu膜表面質(zhì)量較差,Cu/Gd界面結(jié)合差,附著強(qiáng)度低,在優(yōu)化工藝參數(shù)條件下薄膜附著強(qiáng)度最高僅

2、為3.02MPa。關(guān)鍵詞磁控濺射;Cu,Al薄膜;附著強(qiáng)度;Cd基底;正交試驗(yàn)中圖分類號TG174.444文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1001-1560(2009)06-0029-030前言室溫磁制冷技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),到關(guān)注,的室溫磁致冷機(jī)中,Gd溫度升高,和腐蝕,從而失去制冷效果21射,4.4-3工作壓強(qiáng)1.7Pa,靶基距,沉積時(shí)間420min。作氣體為高純Ar氣,純度為.,靶材尺寸為<100mm×5mm,靶材分別為Cu和Al。在Gd試樣上分別沉積Cu、Al薄膜。Cu,Al沉積膜厚用臺階儀檢測。Cu膜沉積速率:。因磁制冷材料具有脆性及易氧化性,容易被水流沖擊破碎,故不能直接用

3、于制冷濺射電流1.0A時(shí)22.880nm/min,1.5A時(shí)58.075nm/min,2.0A時(shí)73.175nm/min;Al膜沉積速率:1.0A時(shí)32.185nm/min,1.5A時(shí)56.575nm/min,2.0A機(jī)。在Gd表面涂覆防護(hù)涂層可有效提高其抗氧化、抗腐蝕性。表面涂層的制備方法有化學(xué)鍍、電鍍、磁控濺射果25等,其中磁控濺射鍍膜技術(shù)具有較好的效。時(shí)79.575nm/min。Cu、Al沉積膜形貌采用XL40型掃描電鏡觀察,510在磁制冷機(jī)中,磁制冷材料的熱交換性能直接影響著其制冷效果,考慮到Cu和Al的熱傳導(dǎo)率都比較高,本工作采用直流磁控濺射技術(shù)在Gd基體上分別濺射沉積Cu和Al膜,

4、研究了膜層表面形貌,膜/基界面形貌及濺射工藝和參數(shù)對膜/基附著性能的影響。分辨率為3.5nm,加速電壓為20kV;能譜儀為XL40型掃描電鏡自帶的X射線能譜儀,能譜儀分辨率為10eV。膜與基體間結(jié)合強(qiáng)度在CMT6104電子萬能(拉力)試驗(yàn)機(jī)上按GB5210-85涂層附著力測定法拉開法來測定,用改性丙烯酸酯(302粘膠)粘結(jié),粘結(jié)薄膜面積為1cm。21試驗(yàn)基體材料采用高純99.9993%的Gd。尺寸為1522.1結(jié)果與討論Cu,Al薄膜表面形貌mm×15mm×5mm?；w經(jīng)800號金相砂紙磨光,丙酮超聲波清洗20min吹干后立即放入濺射真空室進(jìn)行沉積,以降低表面污染對沉積薄膜

5、質(zhì)量的影響。采用自制的等離子體表面處理機(jī)進(jìn)行直流磁控濺收稿日期20090109基金項(xiàng)目國家863基金資助項(xiàng)目(2002AA324010)通信作者鄭小秋,男,電話E2mail:zxqcd圖1為在Gd基體濺射獲得的銅鍍層的微觀組織SEM形貌。圖2為Gd基體上濺射獲得的Al鍍層微觀組織SEM形貌。從圖1可以看出,Cu表面不平整,有較大的空洞等缺陷。從圖2可以看出,Al表面組織連續(xù),沒有明顯缺陷。圖1,圖2顯示:基體表面的砂紙磨痕清晰可見,這Vol142No16Jun1200930MaterialsProtectionCu成分存在(圖4b),說明薄膜與基底之間無擴(kuò)散附著。由此

6、可以得出,Al/Gd的結(jié)合性能要好于Cu/Gd。圖4Al/Gd,Cu/Gd界面能譜圖2.3膜基結(jié)合強(qiáng)度表1為Cu靶試驗(yàn)的因素水平表,表2是根據(jù)表1所得試驗(yàn)結(jié)果。表3為Al靶試驗(yàn)的因素水平表,表4是根據(jù)表3。主要是薄膜的沉積厚度僅有230500nm。對比Cu膜和Al膜表面形貌可見,Al膜表面形貌比Cu平整。從理論上講,加增原子的擴(kuò)散、移動基體的強(qiáng)烈擾動作用又使得動力學(xué)過程加劇,即抑制原子的長程移動或產(chǎn)生大量缺陷并聚集。試驗(yàn)中,室溫(18),濺射12min,Al濺射膜試樣溫度約為90,而Cu濺射膜試樣的溫度則約為30。這就可以解釋薄膜形成過程中,動力學(xué)條件相同時(shí),由于熱力學(xué)過程的作用,使得Al膜在

7、“溫升效應(yīng)”修飾作用下,比Cu膜更平整。2.2試驗(yàn)號123456789AA1A2A3A1A2A3A1A2A32.935.577.024.09表123I/At/min0.71.01.70.51.02.0124.08表2Cu膜正交試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果BB1B1B1B2B2B2B3B3B35.714.795.020.92CC2C1C3C1C3C2C3C2C16.575.533.153.15P(結(jié)合)/MPa1.033.021.661.040.902.850.861.652.51界面形貌及界面成分分布對Al/Gd和Cu/Gd界面進(jìn)行SEM觀察發(fā)現(xiàn):Al薄膜與Gd基體結(jié)合緊密,薄膜與基體之間沒有裂紋等缺陷;Cu薄

8、膜與Gd基體之間出現(xiàn)了裂紋(見圖3a,3b)。R+=15.52圖3Al/Gd,Cu/Cd膜基界面SEM形貌表3Al靶正交試驗(yàn)因素水平表樣品編號123P/PaI/At/min從界面上進(jìn)行點(diǎn)能譜分析可知,Al/Gd界面上的測定點(diǎn)既有薄膜成分Al,又有基體成分Gd(圖4a),說明Al有部分滲入到Gd基底中,薄膜與基底之間產(chǎn)生了擴(kuò)散附著;而Cu/Gd界面上測定點(diǎn)的界面處僅有0.71.01.71.51.02.012420材料保護(hù)表4Al膜正交試驗(yàn)結(jié)果A123456789A1A2A3A1A2A3A1A2A350.459.148.210.9BB1B1B1B2B2B2B3B3B347.449.261.113.

9、7CC2C1C3C1C3C2C3C2C140.8066.4050.525.6P(結(jié)合)/MPa第42卷第6期2009年6月31從以上分析可以看出薄膜的附著性能與濺射時(shí)間,濺射功率以及濺射所用靶材都有關(guān)系。22.2011.1014.1012.2020.4016.6016.0027.6017.503結(jié)論(1)磁控濺射薄膜的表面形貌與靶材和基底材料有很大關(guān)系。Al/Gd薄膜較平整、均勻;Cu/Gd薄膜的表觀質(zhì)量較差。(2)Cu/Gd界面的結(jié)合很差,Cu薄膜與基體之間沒有成分?jǐn)U散,觀察界面薄膜與基體之間有裂縫,Cu/Gd為機(jī)械結(jié)合。Al/Gd界面結(jié)合較好,Al薄膜與基R+=157.70體之間有一定的成

10、分?jǐn)U散,觀察界面薄膜與基體之間結(jié)合緊密,Al/Gd為冶金結(jié)合。(3)Al靶在工作壓強(qiáng)為1.0Pa,濺射電流為2.0A,濺射時(shí)間為4min時(shí),為27.60MPa。通常,薄膜附著強(qiáng)度受范德瓦爾力,擴(kuò)散附著,機(jī)械鎖合,靜電引力,化學(xué)鍵力,內(nèi)應(yīng)力等綜合影響。影響薄膜附著強(qiáng)度的主要因素是2浸潤性,Cu/Gd,Gd兩者獻(xiàn)1mC,JrK,etal.Descriptionofanear2roomtemperaturemagneticrefrig2eratorJ.AdvancesinCryogenicEngineering,1998,43:195719682呂學(xué)超.離子轟擊鍍對鈾上鋁鍍層組織及防腐蝕性能的之間浸

11、潤性較差,:其結(jié)合強(qiáng)度最高僅為3.02MPa,可見,兩者的結(jié)合性能很差。影響J.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2003(5):299303.3楊振煒,聶書紅.電鍍Zn2Ni和化學(xué)鍍Ni2P交替鍍層的影響Al/Gd附著強(qiáng)度的主要因素是擴(kuò)散附著。對Al/Gd而言薄膜與基體結(jié)合緊密,之間形成了成分過渡抗腐蝕性能J.材料保護(hù),2003,36(11):1215.4WangF,YoungDJ.Effectofnanocrystallizationonthecor2rosionresistanceofK38GsuperalloyinCO+CO2atmos2pheresJ.OxidMet,1997:48.5Sanche

12、tteF.Mechanicallyreinforcedandcorrosion2resistantsputteredamorphousaluminumalloycoatingsJ.Technol,1998,98(1/3):11621168.6JohnDB,WilliamPT,BalaG,etal.SolutionhardenedplatinumalloyflexurematerialsforimprovedperformanceandreliabilityofMEMSdevicesJ.MicromechMicroeng,2005,15(1):4348.7ButilenkoAK,VovkAY,K

13、hanHR.Structuralandelectri2calpropertiesofcathodicsputteredthinchromiumfilmsJ.Surf&CoatTechnol,1998,107:197199.8HashimotoK,KumagaiN,YoshiokaH.ResistantamorphoussurfacealloysJ.CorrosssionScience,1993,35(14):363370.9PetkovK,KrastevV,MarinovaT.XPSanalysisofthinchro2miumfilmsJ.Surf&InterfaceAnal

14、ysis,1992,18(7):487490.10GautierC,MachetJ.EffectsofdepositionparametersonthetextureofchromiumfilmsdepositedbyvacuumarcevaporationJ.ThinSolidFilms,1996,289(12):3438.編輯:洪億Surf層。拉伸試驗(yàn)顯示:Al/Gd結(jié)合強(qiáng)度最低值已達(dá)到11.1MPa,證明兩者之間結(jié)合性能較好。從工藝條件來看,附著強(qiáng)度受基體預(yù)處理基體表面溫度濺射功率濺射氣體純度和壓力等影響。Cu/Gd附著強(qiáng)度極差分析所得結(jié)果:直觀上優(yōu)選參數(shù)為A2B1C1,即1.0Pa,0.5A,12min,3.02MPa;其影響順序?yàn)锳>C>B。極差分析的優(yōu)選條件是A3B1C1,即1.7Pa,0.5A,12min,拉伸強(qiáng)度為0.4MPa,比直觀所得數(shù)據(jù)要小。所以,Cu靶濺射的較優(yōu)參數(shù)為:工作壓強(qiáng)1.