HiPIMS技術(shù)和dcMS技術(shù)在微孔內(nèi)表面制備TiAlN薄膜的對比

新鉑科技，聚焦高能等離子體表面工程硬件和工藝。

潤滑油常用來提高微成形（金屬沖壓工藝尺寸的小型化）模具的使用壽命與加工精度，但是從污垢處理、產(chǎn)品污染和不穩(wěn)定成型性的角度來看，無潤滑油微成型工藝是行業(yè)的一個(gè)強(qiáng)烈需求。這就要求在模具的微孔內(nèi)表面均勻制備具有抗黏著、高韌性和耐磨損的潤滑防護(hù)薄膜。雖然在非平面的均勻性上 CVD技術(shù)比PVD技術(shù)具有更大的優(yōu)勢，但薄膜性能和基底溫度并不適用于微模具制造。高能脈沖磁控濺射（HIPIMS）技術(shù)是一種能夠獲得高電離度的新型PVD工藝，利用這一技術(shù)在微孔內(nèi)壁制備硬質(zhì)耐磨涂層可以解決潤滑劑在微尺度成形中的低效（尺度效應(yīng)）。相比于傳統(tǒng)的dcMC（直流磁控濺射）技術(shù)，HIPIMS沉積的TiAlN薄膜微觀結(jié)構(gòu)致密，表面光滑，即使在微孔內(nèi)壁也具有更高的硬度。此外，摩擦試驗(yàn)和劃痕試驗(yàn)也表明該薄膜在基底上具有良好的耐磨性和結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)HIPIMS沉積的微模具相比于dcMS具有更優(yōu)異的抗黏著性能。

1）與dcMS相比，HIPIMS等離子體的離子能量更高，分布更廣泛，薄膜在微孔內(nèi)表面具有更好的均勻性并具有超致密結(jié)構(gòu)；

2）由于HIPIMS等離子體濺射粒子的高初始動能誘導(dǎo)了薄膜生長過程中有效的動量轉(zhuǎn)移，并提高了吸附原子的遷移率。

為模擬微成形模具的微孔結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)亞毫米尺度的閉合功能，將梳狀不銹鋼板夾在2個(gè)HSS（高速鋼）襯底之間，實(shí)現(xiàn)了面積為1mm × 1.2 mm、深度為7mm的微孔，如圖1所示。詳細(xì)研究了距離孔口1 ~ 3 mm一定深度處（圖2a）微孔內(nèi)壁薄膜的特性。圖2 b-e所示為距離微孔入口1和2 mm處內(nèi)壁沉積時(shí)TiAlN薄膜的FE-SEM截面圖像。dcMS薄膜由于出現(xiàn)多孔的微觀結(jié)構(gòu)，因此薄膜本身的密度相對較低。根據(jù)蒙特卡羅模擬結(jié)果，傾斜襯底的陰影效應(yīng)導(dǎo)致傾斜結(jié)構(gòu)的薄膜密度降低，這表明沉積在dcMS中的離子具有相對較低的能量。而HIPIMS沉積的TiAlN薄膜，在1和2 mm處都觀察到顯著的致密結(jié)構(gòu)。HIPIMS沉積過程中薄膜的垂直生長主要是依靠襯底偏壓來調(diào)控金屬的電離通量。由于HIPIMS等離子體濺射粒子的高初始動能誘導(dǎo)了薄膜生長過程中有效的動量轉(zhuǎn)移，并提高了吸附原子的遷移率。除了金屬離子轟擊效應(yīng)外，這些高能粒子甚至在亞毫米范圍的小孔側(cè)壁也有助于薄膜生長的致密化。

圖1.HSS襯底亞毫米尺度孔結(jié)構(gòu)示意圖.

圖2. 利用dcMS和HIPIMS沉積在距離微孔入口1 mm和2 mm處內(nèi)表面上的TiAlN薄膜的FE-SEM截面圖像（a）觀察位置和沉積時(shí)的HSS襯底；（b）dcMS-1 mm ；（c）HIPIMS-1 mm；（d）dcMS-2 mm；（e）HIPIMS-2 mm.

圖3為dcMS和HIPIMS制備的TiAlN薄膜的劃痕和磨痕結(jié)果。由于HIPIMS工藝中高能離子的比例高于dcMS，因此HIPIMS等離子體提高了基片表面的清潔度，增強(qiáng)了薄膜結(jié)合力。與HIPIMS沉積的薄膜相比，dcMS沉積的TiAlN膜具有較嚴(yán)重的磨粒磨損。來自SUJ2鋼球的富氧磨屑堆積在磨痕軌跡的邊緣并因高溫而氧化，硬質(zhì)的氧化鐵顆粒將形成三體磨損機(jī)制，同時(shí)由于dcMS沉積膜的硬度較低，導(dǎo)致薄膜的磨粒磨損增加。此外，由于薄膜的磨屑會形成TiO2或Al2O3等氧化物，dcMS薄膜出現(xiàn)進(jìn)一步磨粒磨損。由于HIPIMS沉積膜具有高密度、高硬度的特性，可以抑制了滑動過程中的三體磨粒磨損。綜上所述，利用HIPIMS制備的TiAlN薄膜在結(jié)合強(qiáng)度和耐磨損方面的性能相比于dcMS沉積更具優(yōu)勢。

圖3. dcMs和HIPIMS制備的TiAlN薄膜的劃痕和磨痕結(jié)果