Ta靶材和Cr靶材的純度均為99. 99%，其尺寸均為φ50. 8mm x 3mm；工作氣體是純度為99. 999%的高純Ar。采用QHV-JGP400B II型（內(nèi)含四組靶基座）真空磁控濺射鍍膜機(jī)進(jìn)行磁控濺射制備Ta-Cr合金涂層，真空室的本底真空度為3.0x10-3Pa。

在濺射過程中，分別采用射頻電源磁控濺射Ta靶材、直流電源磁控濺射Cr靶材，實(shí)施雙靶共濺射，靶基距均為60mm,樣品架轉(zhuǎn)速為15 r/min,樣品架的加熱溫度維持在350℃, 其他鍍膜工藝參數(shù)為：Ar氣體流量20sccm；工作氣壓0. 5Pa；濺射時(shí)間120min。保持其他工藝條件不變,僅改變Ta靶和 Cr靶的濺射功率，制備不同Ta含量的Ta-Cr合金涂層，雙靶功率P與涂層Ta含量的對應(yīng)關(guān)系見表 2所示。

1.2 測試分析

 

利用XRD射線衍射儀分析涂層的物相組成;利用SEM掃描電子顯微鏡觀察涂層的表面、斷面形貌及膜層厚度，并用EDS能譜儀分析涂層的元素組成；采用同步熱分析儀測試 涂層從室溫至1000℃ 加熱過程中的DSC曲線。

 

采用納米壓痕儀測量 Ta-Cr 涂層的納米力學(xué)性能，使用金剛石壓頭，泊松比為0. 27, 最大壓入深度800nm，在Ta-Cr涂層表面隨機(jī)選取8處位置進(jìn)行測試，任意兩處位點(diǎn)的距離大于10um，取8處測試數(shù)據(jù)的平均值作為涂層硬度與彈性模量的測試值。

 

利用電化學(xué)工作站，采用三電極測試體系，測試 Ta-Cr 涂層在3. 5wt%的NaCl溶液中的極化曲線。工作電極是 Ta-Cr 涂層，有效面積為1. 8cm²,非測試表面由亞克力封裝，輔助電極是φ2mm的石墨棒，參比電極是Ag/AgCl電極（飽和KC1）。測試前,樣品在NaCl溶液中浸泡10min，使樣品的開路電位穩(wěn)定。采用動電位方式進(jìn)行測試，室溫，掃描速率為1mV/s。 采用軟件對極化曲線中Tafel區(qū)域進(jìn) 行數(shù)據(jù)擬合，得到自腐蝕電位E_corr .自腐蝕電流密 度J_corr和Tafel斜率等。

 

 

 

2 結(jié)果與討論

 

2.1 表觀形貌

 

圖1為不同Ta含量的 Ta-Cr 合金涂層的表觀形貌。

 

 

 

 

由圖1a ~1c中不同Ta含量的 Ta-Cr 合金涂層的表觀形貌可以看出，三種 Ta-Cr 涂層均沒有明顯的孔洞或其他缺陷,表面平整且致密,均由等軸晶粒所組成。

 

由圖1d中 Ta60 Cr40涂層的截面形貌可以看出，Ta60 Cr40涂層與基體界面結(jié)合緊密,未見明顯缺陷，該涂層與基體的結(jié)合力良好。根據(jù)涂層的截面形貌測量可知，Ta50 Cr50、Ta60 Cr40（見圖1d）和Ta50 Cr30涂層厚度分別為2. 0um、2. 6um和 2. 8um,Ta50 Cr50、Ta70 Cr30 涂層的截面形貌因與圖1 d所示Ta60Cr40涂層的截面形貌非常相似,文中未給出。

 

結(jié)合膜厚值與表2分析可知，隨著Ta靶的射頻濺射功率PTa靶增大（自120W增加至180W）和Cr靶的直流濺射功率PCr靶減?。ㄗ?0W降低至20W）,即雙靶濺射總功率P總（P總=PTa靶+ PCr靶）增大,涂層厚度增加,從2. 0um增加至2. 8um，同時(shí)Ta含量從50%上升至70%。因此,只需合理設(shè)定雙靶濺射功率（PTa靶和PCr靶）即可制備某一預(yù)設(shè)成分的Ta-Cr合金涂層。

 

 

2.2 物相組成

 

圖2為不同Ta含量Ta-Cr合金涂層的XRD譜

 

 

 

由Cr-Ta二元合金相圖可知，當(dāng)Ta含量為50% ~70%時(shí)，經(jīng)平衡凝固獲得的Cr-Ta二元合金，其室溫組織應(yīng)由高溫變體Cr2Ta （HT）和a-Ta兩相組成。由圖2可以看出，衍射角在35° - 45°之間的衍射峰為具備寬反射特征的“饅頭峰”, 該特征峰一般由具有非晶態(tài)相或不定型的物質(zhì)發(fā) 生X射線衍射形成。當(dāng)Ta含量為50%和 60%時(shí),Ta-Cr合金涂層由非晶態(tài)相和Cr晶相組成，此時(shí)Cr相沿著（111）晶面擇優(yōu)取向生長；當(dāng) Ta含量為70at%時(shí),Cr相沿著（110）晶面擇優(yōu)取向生長。

 

在Ta、Cr雙靶的的共濺射過程中，Cr靶經(jīng)直流磁控濺射的累計(jì)沉積時(shí)間比射頻磁控濺射Ta靶（頻率為13. 56MHz）的時(shí)間更長，此外Cr涂層的晶化溫度為-53. 15℃，遠(yuǎn)低于涂層基體沉積時(shí)的加熱溫度（350℃）,這些都是促進(jìn)晶態(tài)Cr形成的原因。

 

圖3為Ta50 Cr50合金涂層的DSC曲線。由圖 3可以看出，Ta50 Cr50非晶態(tài)二元合金涂層在 374℃開始發(fā)生晶化。當(dāng)基體沉積時(shí)的加熱溫度低于薄膜的晶化溫度時(shí)，薄膜將以非晶態(tài)相形式沉積在該基體上。本文研究中基體溫度為350℃，低于Ta-Cr非晶態(tài)涂層的晶化溫度（Tx）374℃，因此Ta-Cr合金涂層具有非晶態(tài)相。研究結(jié)果說明,當(dāng)濺射沉積過程沒有加熱時(shí),Cr含量在10% ~82%之間的Ta-Cr涂層易出現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu),本文研究結(jié)果與此相符。

 

 

 

2.3 納米力學(xué)性能

 

測試得到不同Ta含量的Ta-Cr涂層硬度與彈性模量如圖4所示。

 

 

 

由圖4可見，當(dāng)Ta含量分別為50%、60%和 70%時(shí)，Ta-Cr涂層的硬度分別為14. 2GPa、 12. 0GPa和11.4GPa,彈性模量分別為205. 2GPa、 180. 5GPa和178. 3GPa,表明涂層的硬度與彈性模量均隨Ta含量的升高而降低。大部分Ta-Cr非晶態(tài)涂層的硬度高于單質(zhì)金屬涂層（Ta或Cr）,但是隨著Ta含量不斷降低，合金涂層的硬度因質(zhì)軟的Cr晶相不斷增多而降低，當(dāng)Ta含量約為一半（47%）時(shí),Ta-Cr合金涂層的硬度因近非晶態(tài)相的存在而被強(qiáng)化，達(dá)到最大值（15. 1 GPa）。

 

按照Ta含量的變化間隔為8% ~10%對Ta-Cr合金涂層進(jìn)行取樣, 因樣本數(shù)量有限而難以獲取與涂層最大硬度相對應(yīng)Ta含量的精確范圍。

 

因此，本文研究結(jié)果與此結(jié)果基本一致，即Ta-Cr非晶態(tài)涂層在Ta含量約為一半(50%)時(shí)具有最大的硬度與彈性模量。

由彈性模量E計(jì)算有效彈性模量E ^*，計(jì)算公式為 E^* = E/(1 - v²)，v為涂層的泊松比。

同時(shí)計(jì)算得到H/E( H為涂層的硬度)和H³/ E^*2,繪制H/E和H³/E^*2隨涂層中Ta含量的變化曲線如圖5所示。

 

 

 

由圖5可見,Ta-Cr涂層的H/E值和H³/E^*2值均隨著Ta含量增大而降低，其中 Ta50 Cr50 的剛度(H/E)與韌性(H³/E^*2)最佳。涂層剛度越高，同時(shí)H³/E^*2值越大，涂層韌性越高，本文研究結(jié)果與之相符。

 

 

 

2.4 極化曲線

 

圖6 為在3. 5%NaCl溶液中Ta-Cr涂層的極 化曲線。

 

表3是由圖6所示極化曲線得到的Tafel擬合數(shù)據(jù)。

 

 

 

由圖6和表3可以看出，Ta50 Cr50、Ta60 Cr40、Ta70 Cr30的E_corr比較接近，Ta70 Cr30涂層的J_corr最大，為1.043uA/cm², Ta60 Cr40涂層的人J_corr最小,為 0. 588uA/cm2,表明Ta50 Cr50、Ta60 Cr40、Ta70 Cr30三種涂層均具有相同量級的如,耐蝕性均較好，其中Ta60 Cr40涂層的耐蝕性最好。

 

 

3 結(jié)論

 

(1) 通過調(diào)控雙靶的濺射功率制備出三種成分的 Ta-Cr 合金涂層 Ta50 Cr50、Ta60 Cr40 和 Ta70 Cr30,涂層表面形貌平整、光滑、致密，因其晶化溫度高而易形成非晶態(tài)組織，同時(shí)伴有Cr晶相。

 

(2) 三種Ta-Cr合金涂層隨著Ta含量降低，Ta-Cr涂層的硬度、彈性模量與韌性均升高。

 

(3) 三種Ta-Cr合金涂層均具有較好的耐腐蝕性，其中Ta60 Cr40涂層耐腐蝕性最佳。

 

 

                                                                                                                                                                         

                                                                                                                                                        摘自——沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)