离子注入表面改性TiN薄膜微观结构X射线分析研究

admin · 发表于 2022-9-20 13:31:21

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雅宝题库解析：
TiN薄膜由于具有高硬度、良好的化学稳定性和耐摩擦磨损等优良的综合力学性能，已成为机械加工等行业的首选镀膜材料。然而，在一些特殊的行业中，比如说刀具加工等，希望薄膜能够具有更加优异的硬度和磨损性能以提高寿命和生产效率，因此有必要通过其他的方法进一步提高TiN薄膜的性能。离子注入材料表面改性是一种独具特色的技术，这种技术通过改变材料近表面附近的组成、微观结构等来改善材料的表面性能，已经在许多精密、关键和高附加值的工模具和零部件的实际应用中取得了很好的效果。本文分别以高速钢和硬质合金刀片为基体，采用磁过滤多弧离子镀设备在基体表面沉积一层厚度约为2~3μm的TiN薄膜，然后对TiN薄膜进行离子注入表面改性，考察不同的离子注入类型（Nb和V）和离子注入剂量（1×1017ions/cm2和5×1017ions/cm2）对TiN薄膜表面离子注入层微观结构的影响。应用TRIM软件对离子注入过程进行了模拟，并采用常规掠入射X射线衍射和同步辐射掠入射X射线衍射对试样进行了测试，利用X射线衍射数据分析软件Jade对测试结果进行适当的处理和分析，完成了TiN薄膜晶面间距、晶格常数、内应力、晶粒尺寸等的定量计算，总结了不同剂量的Nb和V离子对TiN薄膜微观结构影响的规律。结果表明：（1）应用TRIM软件可以很好地模拟离子注入的过程，观察到Nb离子注入TiN薄膜的深度为110nm，并在距薄膜表面31.2nm处Nb离子浓度达到最大值（2.0×1015ions/cm2）；V离子的注入深度可达160nm，达到最大值1.2×1015ions/cm2的深度为47.6nm。（2）Nb和V离子注入均使得TiN晶格常数变大，并且Nb离子注入的影响比V离子注入更明显。（3）Nb离子注入可以增加TiN薄膜近表面的压应力值，提高薄膜的硬度；而V离子注入对内应力的改善效果不明显。（4）应力的存在会影响TiN薄膜衍射峰的半高宽，因此在计算晶粒尺寸时，谢乐公式的计算结果已不能如实地反应晶粒尺寸的大小。（5）Nb离子注入引起TiN薄膜的择优取向从（200）面转变成（111）面；V离子的注入虽然没有改变TiN薄膜的择优取向，但同样观察到相同的转变趋势。

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