短脉冲HiPIMS工艺—超硬CrχN涂层&40.8Gpa

点睛

采用50μs短脉冲HiPIMS工艺，15sccmN2流速下制备的Cr_xN涂层，能有效避免因反应气体导致的靶材中毒，维持高离化率和高离子轰击。其硬度达到40.8GPa，且结合强度更高，磨损率更低。

引言

传统直流磁控溅射技术制备的Cr_xN涂层存在柱状晶、孔隙多、硬度偏低（通常15-18GPa）等问题。而HiPIMS技术因能产生高密度等离子体而备受关注，在反应性气体（如N2）环境中，脉冲长度如何协同气体流量，制备出高硬度膜层呢？

解析：

哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院的柏等人采用新铂科技（东莞）有限公司研发的定制化多功能等离子体沉积系统制备出高硬Cr_xN涂层。以“Influence of pulse length and N2 flow rate on Cr_xN coatings prepared by HiPIMS”为题发表在《Surface & Coatings Technology》上，其工艺参数如下：

1）基体：304不锈钢，硅片；2）预处理：采用电弧增强辉光放电（AEGD）工艺；3）沉积工艺：靶材：Cr靶，直径60.5mm。工作气体：Ar和N₂。工作气压：0.45Pa；平均靶功率：0.6kW；脉宽：100μs和50μs。基体偏压：-100V。4）沉积过程：先沉积一层约100nm厚的纯Cr过渡层，再在Ar/N₂混合气氛中沉积Cr_xN层，总厚度约为2μm。基体以20rpm的速度旋转，靶基距为75mm。

图1 不同HiPIMS放电时阴测得的电流波形，脉冲长度分别为(a)长脉冲（100μs）和(b)短脉冲（50μs）

图1的放电电流波形对比了100μs和50μs脉冲下，不同N2流量时随时间演变的峰值电流。在长脉冲（100μs）模式下，当N2流量较高（如35sccm）时，电流在脉冲中后期（50-100μs）出现显著下降，这是典型的“靶材中毒”特征——靶面形成氮化物，二次电子发射被压制，放电困难。相反，短脉冲（50μs）模式在电流达到峰值（约25μs）后便迅速终止，完好避开了中毒阶段。这意味着短脉冲能维持每个脉冲周期内的、纯净的金属Cr溅射和高电离率。峰值电流得以保持（如65-68A），确保了等离子体中高浓度的Cr+离子。

图2 (a)不同氮气2流速和脉冲长度沉积的Cr_xN涂层的硬度，(b)弹性模量，(c)H/E，(d)H3/E2参数

无论哪种脉冲，硬度都随N2流量先增后降，在15sccm时达到峰值。但短脉冲的硬度（40.8GPa）显著高于长脉冲（38.56GPa）。更值得注意的是两个韧性的相关参数：H/E（抗弹性变形能力）和H3/E2（抗塑性变形抗力），短脉冲涂层在这些数值上也是领·先的。15sccm的N2是形成高硬度Cr2N相的化学计量比窗口。短脉冲凭借其更高的离子通量，在膜层生长中施加了更强烈的离子轰击。这产生了三大效果：细化晶粒；增加涂层致密度（无柱状结构）；引入有益残余压应力。三者共同作用，不仅提升了硬度，同时也提升了涂层的韧性（即更高的H³/E²值），使其在承受载荷时更不易开裂。

结论与延伸

1.用50us的短脉冲，能提前结束放电，这样就能有效避免靶材“中毒”，还能一直维持住又高又稳的等离子体密度和金属离子通量。

2.100us的长脉冲，在氮气流量较高的时候，靶材“中毒”几乎是没法避免的。这会让离子轰击的力度变弱，涂层容易长出粗大的柱状晶，后面就会拖累涂层的力学性能和摩擦学性能。

3.在短脉冲（50us）+氮气流量（15sccm）的条件下，做出来的Cr_xN涂层，内部结构更致密、没有那种柱状的纹路，晶粒也更细小。靠这些优势，涂层能达到40.8GPa的很高的硬度。