基于纳米压痕和纳米冲击技术研究溅射功率对Ti薄膜力学性能的影响

来源：机械工程学报杂志2018年第2期北京时间：

作者：靳巧玲, 王海斗, 李国禄, 张建军, 刘金娜

单位：1. 河北工业大学材料科学与工程学院 天津 300130;2. 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室 北京 100072;3. 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院 哈尔滨 150001

摘要：控制磁控溅射工艺中的溅射功率为变量，在玻璃基体上沉积了相同厚度的纯Ti金属薄膜。采用原子力显微镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、纳米冲击系统、电子薄膜应力分布测试仪表征薄膜表面形貌、相结构和力学性能，研究溅射功率对薄膜显微结构和力学性能的影响机制。结果表明：随着溅射功率的增加，Ti膜晶粒尺寸和粗糙度与溅射功率呈指数函数增大，晶粒择优取向程度与薄膜硬度总体呈现上升的趋势；溅射功率较小时，薄膜延展性好，不易产生疲劳断裂；薄膜疲劳寿命受残余应力的影响程度高，残余应力最大的薄膜，疲劳寿命最短。分析原因认为溅射功率主要通过影响Ti原子团、Ar离子团的能量以及靶材原子的动能，进一步影响薄膜的显微结构和残余应力；薄膜硬度受晶粒择优取向程度影响较大；残余拉应力的增加会促进裂纹的形核和生长，降低薄膜的断裂韧度并缩短疲劳寿命；纳米冲击测试结果显示溅射功率变大，薄膜破坏形式由塑性变形转变为脆性断裂，即薄膜由韧性向脆性转变。

关键词：Ti薄膜,残余应力,溅射功率,抗冲击疲劳,压入塑性；

基金资助：国家自然科学基金重点（51535011）和国防973计划（61328304）资助项目。