[发明专利]一种N元素调控Ta0.5

说明书

本发明公开了一种N元素调控Tasubgt;0.5/subgt;Wsubgt;0.5/subgt;Nsubgt;x/subgt;硬质薄膜的方法，其步骤为：以Ta靶和W靶作为靶材，采用氩气为溅射气体，氮气为反应气体，通过直流磁控溅射靶材，在基底上获得Tasubgt;0.5/subgt;Wsubgt;0.5/subgt;Nsubgt;x/subgt;硬质薄膜。本发明通过多靶直流磁控溅射从Wsubgt;2/subgt;N到Tasubgt;0.5/subgt;Wsubgt;0.5/subgt;Nsubgt;x/subgt;薄膜的过渡设计，利用氮含量调控Tasubgt;0.5/subgt;Wsubgt;0.5/subgt;Nsubgt;x/subgt;薄膜的价电子浓度，使得钨元素取代钽元素，制备x值为0.82~1.02的单相固溶结构薄膜，其表面结合延性金属材料钨和氮化物的优点，形成兼具高硬度和韧性的特性，可以有效提高薄膜的强韧性，在耐磨损方面也具有更好的耐久性，有利于延长刀具的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种高硬度、高韧性三元氮化物硬质薄膜，尤其涉及一种N元素调控Ta_0.5W_0.5N_x硬质薄膜的方法，属于材料表面保护领域。

背景技术

随着工业技术生产制造等各种行业地快速发展以及国家节能减排的号召，大量新材料工艺推陈出新，其中高硬度、高韧性且耐摩擦的薄膜材料已经俨然成为佼佼者。但高硬度通常会导致裂纹的脆性断裂，为避免因开裂而造成的薄膜失效，薄膜必须同时提高硬度和延展性，但这两者往往难以兼得。以调控价电子浓度为指导原则的非化学计量比方法在提高过渡族金属氮化物(TMNs)单相固溶体的硬度和韧性方面具有优势。因此，研究非化学计量比这一方法制备出优异的力学性能的表面保护材料具有重大意义。对于单相固溶结构的亚稳态三元氮化物来说，薄膜在制备过程中的实际结构会背离化学计量比，导致性能下降，而N含量调控点缺陷的形成可以在一定程度上改善上述问题。

发明内容

为避免因高硬度而导致薄膜脆性断裂，非化学计量比方法在提高薄膜硬韧方面具有优势，但在制备的过程中，薄膜的实际结构会背离化学计量比，导致性能下降，而N含量调控点缺陷的形成可以在一定程度上改善这一问题，本发明的目的是提供一种N元素调控Ta_0.5W_0.5N_x硬质薄膜的方法，以延长刀具的使用寿命。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种N元素调控Ta_0.5W_0.5N_x硬质薄膜的方法，所述的Ta_0.5W_0.5N_x硬质薄膜中x取值范围为0.82~1.02，优选0.93，包括如下步骤：

以Ta靶和W靶作为靶材，采用氩气为溅射气体，氮气为反应气体，通过直流磁控溅射靶材，在基底上获得Ta_0.5W_0.5N_x硬质薄膜。

较佳的，氮、氩气体的总流量为40 sccm，其中，氮气的体积占比为10~30%。

较佳的，基底采用单晶Si(100)衬底或718高温镍基合金。

较佳的，溅射温度为300±20 ℃，溅射时间为35~40 min，Ta靶溅射电流为271 mA，W靶溅射电流为180 mA。

较佳的，溅射前，在所述基底上沉积80~100nm W₂N过渡层。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.硬度最高的δ-TaN_x和具有良好延展性的钨金属可以形成互溶的Ta_0.5W_0.5N_x复合体系，该种组合薄膜的硬度表现出比二元δ-TaN_x薄膜更高的机械性能和耐磨损性能，在应用于延长刀具使用寿命领域更加具有优势。