99 / 2022-09-15 10:13:39

双靶HiPIMS复合DCMS低温制备Cr2AlC涂层及成相机理研究

Cr2AlC；高功率脉冲磁控溅射；等离子体诊断；MAX相涂层

Cr₂AlC三元纳米层状材料是MAX相材料的一种，具有优异的耐热腐蚀和抗高温氧化能力，是潜在的海洋环境用防护涂层材料。本研究采用双靶HiPIMS复合DCMS技术在不同沉积温度和脉冲偏压下制备了Cr₂AlC涂层。利用SEM、XRD、Raman光谱和TEM等技术系统研究了沉积温度和脉冲偏压对Cr₂AlC涂层表面形貌、物相及微观结构的影响规律，并结合Langmuir探针和等离子体发射光谱等诊断方法，分析了近基底表面等离子体区域内的电子与活性粒子密度和分布特性。结果表明：随着沉积温度由300 ℃升至400 ℃，涂层内部开始由非晶向柱状晶转化，在350 ℃时出现了Cr₂AlC相，涂层粗糙度和致密性均随沉积温度增加而增加；选取沉积温度为350 ℃，研究涂层微观结构随脉冲偏压的变化特征。发现当脉冲偏压为100V时，Cr₂AlC涂层即已完全晶化，柱状晶尺寸约为100 nm。但当脉冲偏压继续升高至200V时，严重的轰击刻蚀作用在使涂层呈现非晶化的同时，还导致涂层中的Al出现选择性再溅射现象，致使涂层中出现Cr₃C₂、Cr₇C₃和Cr₂Al等杂质相。等离子体诊断结果表明，HiPIMS放电中近基底表面电子密度高达10¹⁷m^-3，近基底表面等离子体区域内的主要活性粒子为Ar⁺、Cr^*和Cr⁺，这些荷能离子（Ar⁺、Cr⁺和Cr^*）对基片的辅助轰击有效提升了低温沉积条件下基片表面的局域有效温度（升高约100 ℃），增强了成膜粒子的扩散迁移能力，促进了高纯Cr₂AlC MAX相涂层的低温结晶。