磁控溅射铁镁镀层的结构与力学性能关系

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1、磁控溅射铁镁镀层的结构与力学性能关系O. Bouaziz a, A. Billardb, 摘要：铁镁镀层在不同压力和偏置条件下溅射沉积在玻璃和钢基板上。镁溅射的 衬底偏压在-75-100之间，强烈的副作用导致镁含量梯度在中心与基板边 缘上有一个比较重要的氩植入。在镁含量达到 20%而无氩时涂层密集结构 的内部压应力和衬底偏压分别为0.2Pa和-50V。随着镁含量增加，涂层从 17%镁的部分非晶相变为37at%镁的全非晶相。硬度测量表明，镁富集相 达到 7%。增加的硬度取决于固溶效果。为了更高的镁富集化，硬度降低符 合逐步稳定的非晶涂层。非晶涂层的结晶发生在200C左右，并且饱和体 心立方固溶体

2、的混合体源于铁和密排立方的镁。提高退火温度，降低了体 心立方相的晶格参数，因此，镁饱和。最后表明，在300C退火后，低镁 含量涂层（3at%镁）同时出现体心立方的铁和密排立方的镁的衍射线，证 明了镁和铁的不溶性符合热力学平衡条件。关键词：磁控溅射，铁镁涂层，结构特征1.引言降低铁合金密度对铁制造商构成一个重大的挑战，特别是汽车应用方 面。为了解决这个问题提出了不同的解决方案。因为加入了极低密度的镁， 铁镁合金有望提高机械性能与密度的比值。然而，涂层沉积过程需要构成 一种廉价的方法来降低合成大量铁镁合金的成本。本文探讨其潜在的利益 及其力学性能随其镁含量的关系。铁和镁已知是热力学不相溶的，特别是

3、由于其差异很大的原子半径。 因此，铁镁溅射沉积或蒸发涂层很少被研究到。目前，除了他们的多层纳 米涂层的磁场性质和最近由于反射到透明过渡金属的氢化物的转变为开关 的镜子 MgFe2Hx 进一步加氢。在本文中，我们探讨各种形式的中性氩气氛下的铁和镁溅射沉积的富 铁铁镁涂层。通过反应堆配置说明，我们目前最初的铁配置用于这项研究。 然后对放电参数的影响进行调查，以确定基本溅射条件。对于致密的铁镁 涂层的沉积是由其结构和力学性能以及他们的热稳定性与他们的化学成分 决定的。2. 实验步骤铁镁涂层在室温（b60 C）溅射沉积在玻璃和铁素体不锈钢AISI 430基 板上，同时溅射有两个金属靶的纯氢。实验装置是

4、一个40升的溅射腔泵， 也可以通过一个允许基本真空约10-4Pa的涡轮分子泵，配置有两个靶相距 120mm, 平行于靶的互相用旋转衬底夹具。对着靶定位衬底，中心到衬底 夹具为60mm,取50mm（DT-s）的距离50mm距离的靶安装在不平衡磁控管, 并采用了先进能源发电机（直流电源配备了 20kHz Spark-le脉冲单位和/或 Pinnacle+）。控制MKS流量计，是氩气流量控制在40至20sccm，调节产 氩压力，使用aMKS Baratron衡量指标，使其分别在0.4和0.2 Pa。沉积 是由固定放电执行的，目前消退铁靶在0.5A，通过改变放电电流消退镁高 达0.3A。实验运行时间为

5、2小时并且适用衬底偏压在-50V-100V之间浮 动。为了使载波片的固定好，要用表面暴露于金属流的导电铜棒固定。用载玻片步骤法测量得涂层厚度约24 m，球在钢基板上运行的 Talysurf轮廓允许的精度在大约2030nm。通过使用掠射角X射线衍射（入 kaCo=0.179 nm）和Inel衍射一个入射角4，得到涂层的结构特点。A Phillips FEG XL30S扫描电子显微镜还配备了能谱能源谱仪,用于化学成分 的测量。对应力进行测量，测量沉积后产生的薄钢悬臂（100um的4x50mm）的 曲率。最初真空下550C退火1小时。利用光学显微镜与动产表进行曲率 测量，从而使测定的 X/Z 用不同

6、的立场分悬臂。最后进行硬度测量，维氏 压痕采用10 g的恒载荷。最后，保持AISI 430基板上2小时的所选择的温 度，然后在300 C的空气中进行退火处理。图 1 是用于本研究的铁靶的具体配置，它源于以前的研究。它是将 1.5mm 厚的铁环固定在一个铜环上，而外部有一个不锈钢环和一个中央不 锈钢件，铁螺丝杆件和铜件通过不锈钢件相连。靶的不同部分的尺寸为优 化实验，为避免铁加热和增加放电产生以前的配置和相关的杂质（Cu或Cr） 进入镀层。3. 结果和讨论3.1 测定基本沉积条件。3.1.1 表面形貌和组成首次运行对本次研究的基本条件进行了修复。因此，铁（0.5 A）和镁（0.1 A） 受到 0

7、.4Pa 的氩气压力和在衬底上的浮力。照片（图 2）显示了金相的 形貌和特征及其较低的密集度。衬底偏压会影响涂层致密度。EDS描绘出 从薄膜的中心到边缘对着靶的位置被沉积在25x25mm的AISI 430基板上 并且衬底偏压在-50-100V之间，发现其镁含量的一个重要的演化，强烈 的副作用的特征。这种副作用在衬底偏压为-100V比-75V时更明显。而且 在-50V消失了。后来试样的中心的镁含量的增加了而衬底偏压绝对值减 小，这两个事实对镁的优先磁控溅射是密切相关的，就像如前所述的 Al-Mg 涂层的其他情况。此外，涂层的富镁区在-75-100V也出现重要的氩含量 （7-8 at%），植入的过

8、程取决于偏压。氩植入被假定为在一个具体的表面形 貌与许多坑的出现（图2C,D）。由于薄膜在-50V偏压沉积时，氩（0.5 at.%） 衬底偏压相当自由，出现了一种反射面（图2B）,这个衬底偏压被保留做 进一步实验。3.1.2.应力测量应用斯托尼公式对内应力进行测量后确定产生的曲率。用一块0.30.2Pa， 衬底偏压在-50-75V的悬臂式薄钢板。由于镁含量较低，镀层屈服于内部 压应力。成为提交越来越多的拉应力与镁富集相。同样地，已经提到的其 他金属其 MT/MG 比率也有众所周知的影响。增加金属原子撞击的平均能 量使含量在压应力到拉应力过渡加强，例如通过增加氩气压力或增加负衬 底偏压的绝对值。

9、然而，涂层在0.2Pa与偏压为-50V时沉积，仍然提交内 部压应力达到约20at%镁。这些条件导致无论镁含量达到多少，薄膜的反 射表面仍然被保留为以下的研究。Cooling gygtem图 1 。专为这项研究设计的 50mm 直径的铁靶图2。铁镁涂层在0.4Pa沉积的表面形貌是A,衬底偏压为-50V、-75V、-100V的浮动潜力分别为 B、 C、 D菩中couRadial distanee from the centre of the substrate (mm)图3。镁和氩在0.4Pa涂层沉积从中心到边缘的外形与衬底偏压的函数曲线图(gCLE) stflwhe 口一匸一一匚一图 4.内应力

10、随在不同氩气压力和不同衬底偏压下沉积的铁镁涂层的镁含量的变化 3.2.薄膜性能与基本沉积条件3.2.1.结构特点图 5 展示了铁镁涂层以 0.2Pa 和 -50V 的衬底偏压沉积在载玻片上的 XRD 谱。无论涂层的镁含量为多少，单晶相是体心立方铁氧体。镁含量的增加 产生铁氧体衍射线向低衍射角和晶格常数相应增加的转变，并逐步增加其 全宽半高(半高宽)，出现晶粒细化。请注意，转变是很重要的，达到大约llat%镁，并探讨的主要考虑的是(211)铁从llat%到27at%镁的界线。 在含有37at%镁时，涂层是全非晶态，但当涂层的镁含量达到17at%时， 非晶相的存在可以被检测到。因此，可以认为镁含量

11、不超过llat%时可以 溶解到晶格铁氧体，涂层中含有l530at%镁。构成的体心立方的a -Fe(Mg)晶体下降部分植入越来越小的无定形的铁，镁矩阵。3.2.2.测量硬度用一个 10g 的载荷对这一系列试样测量维氏硬度。注意这些测量都大致符 合压痕深度约0.8lum。然后由于涂层的致密在24um之间，没有遵守 巴克儿规则。这些硬度的测量参见图 6。同厚度的相关薄膜的使用质量和 其结构特点是密切相关的。特点:镁含量达到7at%，硬度从大约0.52GPa增加到0.64GPa。这是主要取 决于固溶效果。事实上，观察这一区域的相组成，并没有显著的晶粒细化。铁涂层(0.52 GPa)硬度的高价值被认为是

12、从半高宽的铁涂层的马氏体结构 所表现出来的。镁含量在7at%20at%之间时，铁镁硬度由于增加了部分非晶相和减少 了部分晶体铁氧体的综合作用从0.6下降到0.4 GPa,这个理论已经被 Petch， Hall 提出过。镁含量超过20at%时，无论镁的含量，主要组成涂层的非晶相具有很多 相同的硬度。事实上，增加涂层的镁含量，硬度轻微上升。由于衬底偏压 的作用，厚度增加受到重大限制。这是硬度低于涂层的硬度。120000100000800006000040000图5.铁镁涂层沉积在玻璃板上镁含量(PAr=0.2 Pa, Vs=-50 V的 X射线衍射图.盲支N3工Mq content (at.%)图

13、6。维氏硬度在10g的载荷和铁镁涂层沉积在AISI 430基板上对镁含量的关系 3.2.3.退火处理涂层沉积在钢基板上退火处理最后完成从150C300C,(图7)。最初无定 形涂层镁含量约为37at%,非晶相结晶发生在大约200 C时，与密排立方富镁 相的外观衍射线特征。同时在非晶相的体心立方Fe(Mg)和密排立方镁相的晶 体阶段相当高。扩大体心立方Fe(Mg)阶段可以发现，衍射线伴随着轻微位移 向低角度的特点，纯体心立方Fe表现出较高的晶格常数比。提高退火温度， 超过200C产生位移特征衍射，并且走向更高的角度。由于铁衍射线上存在 偏差，涂层与衬底相比符合。这个行为解释如下：在200 C时，

14、非晶相的结 晶产生细结晶饱和体心立方Fe(Mg)相和密排立方Mg之一。提高退火温度促进 金属不溶性，如铁和镁。分离，这分为晶格参数的减小和晶粒粗化的两个阶 段。它可以被认为，经过300C退火阶段，共存阶段是紧密排列的纯的体心 立方的铁和密排立方的镁，进行平衡预测。事实上，镁的低溶解度被铁证实。 尽管相当低镁含量至3at%,退火温度约300C形成明确的证据。镁的密排立方 晶体这种现象在250C时是不存在的。还表明，镁在镀层的含量随着镁结晶 温度的降低而增加。最后，可以指出薄膜包含超过10a t%的镁含量增加了抗 氧化的铁。事实上，颜色会有干扰(黄色，棕色：大约20nm厚的氧化层)退 火后出现约含

15、镁5at%,而涂层含有镁10at%,镁在300C退火后会出现一个紫 颜色(约30nm厚的氧化层)，退火后在300 C的同一时间，会有一个明显的 蓝色着色(大约70nm厚的氧化层)，涂层约含镁5a t%。120000 -100000- soooo- 60000 - 40000 -20000 -斗 5004M0350030002500-rrEj 己-!SUV1U-TVnT7090 9G 100110Bragg angle 26 ()图7.退火温度达到300 C, 37at%镁沉积在AISI430基板上的X射线衍射图谱，及250和300C 3at%涂层退火的X射线衍射花样4. 结论 在低压力下对固定

16、在一个旋转的夹具上的玻璃和钢基板上磁控溅射镀富铁 铁镁涂层，使用的是原来设定的铁靶。涂层的镁含量是非常敏感的参数，如 压力和衬底偏压，致密均匀和化学性质相同的涂层要在0.2Pa的低压和-50V 的衬底偏压下获得。对于更高的压力，涂料是多孔的，屈服于内部压应力并 且由于更强烈的负衬底偏压的副作用导致从试样的中心到边缘一个非常重 要的镁含量的变化关系被观察到。如同许多其他的金属合金涂层,镁浓缩产生体心立方Fe(Mg)晶粒细化增加了 部分非晶相，检测出了约17at%的镁。一个薄膜的完整的非晶相被发现约含 37at%的镁。硬度测量表明，当镁浓缩至7at%时，和纯铝涂层相比，约为20 25%，略有增加。

17、然后一个相当重要的硬度的下降和逐步转变为非晶体相关 联。而压缩到广泛内应力过渡发生在镁含量在20at%时。退火处理完成达到 300C表明，薄膜分解成体心立方Fe(Mg)和密排立方Mg相阶段，无论其组成 是什么，在200到300C之间，更高的镁含量会有更低的分解温度。因此，镁 相在薄膜上被检测到含有3at%的镁含量,这符合在热力学平衡条件下镁溶于 铁的非常低的溶解度。最后，结果表明，干预的色彩取决于表面氧化涂层， 在更高的温度和镁含量增加到大约10at%时，超过此限制，薄膜在300C时 不能氧化1小时，这表明镁在空气中时铁的氧化性能的有利影响。参考文献1 R. Blanc, M. Belzons

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