采用雙靶非反應(yīng)磁控濺射，通過改變基底偏壓，制備了一系列Ni摻雜TiB2基的涂層。通過X射線能譜儀確定其成分，利用X射線衍射、掃描電鏡對涂層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并通過納米壓痕、維氏壓痕、劃痕以及摩擦磨損分別對涂層的硬度、模量、斷裂韌性、膜基結(jié)合力和摩擦學(xué)性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：此工藝下制備的TiB2-Ni涂層中均存在六方相的TiB2結(jié)構(gòu)，并且生長結(jié)構(gòu)非常致密，無明顯的柱狀生長結(jié)構(gòu)，表面粗糙度低；硬度均大于40GPa；涂層均具有較好的斷裂韌性；且隨著偏壓增大斷裂韌性和結(jié)合力都有所提高；同時所制備涂層摩擦系數(shù)均在0.5～0.6，磨損率在同一數(shù)量級。

　　磁控濺射制備的TiB2基涂層具有高硬度和高的化學(xué)穩(wěn)定性，因而在多方面得到了廣泛的應(yīng)用，可用于保護(hù)切削刀具、模具以及航空航天零器件表面等。TiB2基涂層雖然具有高硬度，但高硬度的材料在發(fā)生變形時通常具有脆性而容易導(dǎo)致失效，低韌性限制了TiB2基涂層在工程方面的應(yīng)用，提高其韌性成為了一個非常重要的研究方向。而一般情況下，韌性的增長容易導(dǎo)致硬度的降低，很難做到兩者兼顧。

　　金屬和陶瓷材料在很多方面都有著廣泛的應(yīng)用，金屬的主要特點(diǎn)是具有高韌性，陶瓷硬度很高但韌性較低。近年來，將韌性材料摻入陶瓷基涂層制備出的陶瓷/金屬納米復(fù)合涂層得到了廣泛的研究。一些研究將Ni或Ti摻雜到許多碳化物和氮化物的涂層中，如Ni摻雜的TiC，TiN 和CrN，Ti摻雜的SiN等，金屬的摻雜將導(dǎo)致硬度和韌性的變化。Akbari等研究發(fā)現(xiàn)了硬度大于25GPa且具有良好韌性的Ti-Ni-N涂層。

　　基于上述研究，本文研究了不同金屬摻雜對于TiB2抗裂紋性能的影響，發(fā)現(xiàn)Ni摻雜對于其抗裂性能的提高是最明顯的，但是在以前的研究中，發(fā)現(xiàn)雖然有提高，但是還存在很明顯的柱狀生長，說明涂層的性能還有很大的改進(jìn)空間，基于此，本文采用中頻和射頻電源的雙靶磁控濺射設(shè)備通過改變基片偏壓制備了不同偏壓的TiB2-Ni涂層。對所制備的涂層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能的研究，探討了偏壓對其生長結(jié)構(gòu)，以及硬度、斷裂韌性、膜基結(jié)合力和摩擦學(xué)等方面的性能。

　　1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1、原料及制備

　　涂層的制備采用MS450型高真空雙靶磁控濺射設(shè)備，通過改變基片偏壓，在康寧Eagle玻璃、單晶Si(100)和M2高速鋼基底上沉積不同偏壓的TiB2-Ni涂層。其中TiB2靶(直徑100mm，厚度4mm，純度為99.9%)上均勻覆蓋Ti片，采用中頻電源(MF)，400W，100kHz；Ni靶(直徑100mm，厚度4mm，純度為99.995%)采用射頻電源(RF)。涂層沉積前將沉積室本底真空抽到8×10^-5 Pa以下�；�片分別在丙酮、無水乙醇和去離子水中進(jìn)行了超聲清洗，然后用氮?dú)獯蹈�。沉積時在Ar氣氛下，氣壓控制在0.7Pa�；�底加熱至300℃，基片偏壓分別為-30，-50，-90和-110V，涂層厚度控制在1.3～1.5μm之間。

　　1.2、涂層表征

　　采用Bruker D8型X射線衍射(XRD)儀對涂層進(jìn)行物相分析，CuKα射線，θ/θ模式，步長設(shè)定為0.01°，掃描范圍20°～70°。涂層的生長結(jié)構(gòu)利用Hitachi S4800 高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀測，加速電壓為4kV。涂層的硬度測量在MTS NANO G200納米壓痕儀上進(jìn)行，采用金剛石Berkovich壓頭，為了減小基底的影響，最大壓入深度設(shè)為150nm(約為膜厚的1/10)。每個樣品測量8個點(diǎn)并取平均值，通過加載卸載曲線計(jì)算出塑性指數(shù)。涂層與基底的結(jié)合力分析采用CSM 公司的Revetest劃痕儀進(jìn)行測試，壓頭為半徑200μm的金剛石Rockwell壓頭，力加載為0～100N，加載長度為3mm。維氏壓痕測試采用HV-1000顯微硬度計(jì)。利用FEI QuantaTM 250FEG型SEM 對劃痕形貌和維氏壓痕形貌進(jìn)行了表征，電壓為5kV。采用CETR UMT-3摩擦試驗(yàn)機(jī)對涂層的摩擦學(xué)性能進(jìn)行表征，使用球盤往復(fù)模式。在室溫，濕度為62±5%的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對偶球采用直徑為6mm的Al2O3球，加載為2N。對偶球的往復(fù)速度和頻率為5cm/s和5 Hz。磨痕的深度分布使用KLA-Tencor Alpha-Step IQ表面輪廓儀獲得。

　　3、結(jié)論

　　(1)采用磁控濺射設(shè)備制備出了不同偏壓下的Ni摻雜TiB2基涂層。

　　(2)在結(jié)構(gòu)上，制備出的所有TiB2-Ni涂層只存在六方結(jié)構(gòu)的TiB2，低偏壓涂層趨向于非晶態(tài)，高偏壓涂層結(jié)晶性較好，所有涂層生長結(jié)構(gòu)致密，無明顯的柱狀結(jié)構(gòu)且具有很低的粗糙度(小于1nm)。

　　(3)在性能上，硬度均高于塊體TiB2且大于40GPa；通過塑性指數(shù)與壓痕測試觀測出具有較好的韌性，韌性隨著變壓的增大有所增強(qiáng)；通過劃痕測試，涂層的結(jié)合力隨著變壓的增大而增強(qiáng)，高偏壓TiB2-Ni涂層具有較好的結(jié)合力；摩擦學(xué)性能上，所制備的涂層摩擦系數(shù)均在0.5～0.6之間，磨損率均在1.2×10^-15至3.2×10^-15 m³/N m 范圍內(nèi)，保持在同一個數(shù)量級。

　　(4)通過對結(jié)構(gòu)和性能的研究，高基片偏壓(約-110V)制備的TiB2-Ni涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。