用反應(yīng)磁控濺射的方法通過改變Cr靶濺射功率在不銹鋼基體上沉積不同Cr含量TiAlCrN薄膜。采用臺階儀測量薄膜厚度；采用納米壓痕儀測量薄膜的硬度、彈性模量和薄膜與基體的結(jié)合力。沉積的TiAlCrN薄膜隨著Cr含量增加，薄膜硬度先增大，而后減小；TiAlCrN薄膜的第一臨界載荷和第二臨界載荷均隨Cr含量增加而增大。

　　TiN薄膜有較高的硬度、耐磨性和較低的摩擦系數(shù)，但其與基底的結(jié)合力較弱、脆性大、易剝落，特別在高溫性能方面存在缺陷，限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。而用物理氣相沉積方法制備的TiAlN薄膜硬度高，耐磨性好，高溫抗氧化性好，特別適合高速切削、干切削。在TiAlN薄膜中加入Cr形成的TiAlCrN薄膜抗高溫氧化性在1000℃左右，比TiAlN薄膜提高約200℃。TiAlCrN薄膜以其非常優(yōu)異的耐磨損性能被應(yīng)用于刀具的保護(hù)，摩擦系數(shù)低。有人研究TiAlCrN 薄膜麻花鉆的壽命比TiAlN提高了6~10倍。本文將研究不同Cr含量TiAlCrN薄膜的硬度和薄膜與基體的結(jié)合力等性質(zhì)。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1、試樣制備

　　實(shí)驗(yàn)所用基體為不銹鋼（304B）片，大小為30×30×3mm³。經(jīng)打磨，鏡面拋光和超聲波清洗后，用熱風(fēng)吹干備用。

　　鍍膜實(shí)驗(yàn)采用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司研制生產(chǎn)的KPS450II 型超高真空多功能磁控濺射系統(tǒng)。使用三靶共濺射，鈦靶（C 靶）、鋁靶（B 靶）、鉻靶（A 靶），其中鈦靶（C靶）、鋁靶（B 靶）使用直流電源，且對每個試樣沉積中，保持濺射功率不變，而鉻靶（A 靶）使用的是射頻電源。本底真空＜7.0×10^-5Pa，氬氣分壓和氮?dú)夥謮壕鶠?.0Pa。靶基距離為12cm，基體轉(zhuǎn)速（自轉(zhuǎn)）為11 r/min，基體負(fù)偏壓為100V，基體溫度300℃，沉積時間為90min。各靶濺射功率見表1。

表1 TiAlCrN薄膜沉積實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.2、性能測試

　　在鍍制TiAlCrN薄膜時，將超聲波清洗過的蓋玻片割成約10×5mm大小，壓緊在基片一角，在薄膜沉積結(jié)束后，將蓋玻片取下，基體和薄膜間就形成臺階。用日本生產(chǎn)DEKTAK 6M型臺階儀測量沉積TiAlCrN薄膜的厚度，測量結(jié)果見表2。

表2 TiAlCrN薄膜Cr含量、膜厚、硬度、彈性模量和臨界載荷

　　實(shí)驗(yàn)采用帶有EDAX能譜和TSL’EBSP (取向分析儀)的PHILIPS XL30W/TMP掃描電子顯微鏡（分辨率為3.5nm，放大倍數(shù)為5-40萬倍）分析薄膜的表面形貌及各元素成份。實(shí)驗(yàn)所加電壓為25.0kV，放大倍數(shù)為2000。

　　薄膜的硬度、薄膜與基體的結(jié)合力用美國MTS公司生產(chǎn)的Nano Indenter XP納米壓痕系統(tǒng)測定。

2、結(jié)果與討論

2.1、TiAlCrN薄膜厚度與Cr靶濺射功率的關(guān)系

　　從圖1中可看出，薄膜厚度隨Cr靶功率增加先增大后減小。Cr靶濺射功率在345W時薄膜厚度降低，其原因可能是Cr靶濺射功率過大，濺射出來的粒子（原子或離子）能量較大，在基體上產(chǎn)生反濺射的結(jié)果。

圖1 TiAlCrN薄膜的厚度與Cr靶濺射功率的關(guān)系

2.2、TiAlCrN薄膜的SEM分析

　　從掃描電子顯微鏡附帶的EDAX能譜分析各試樣中Ti、Al、Cr三元素所占原子百分比如表2所示。我們可以看出薄膜中Cr含量是隨Cr靶濺射功率的增加而線性增加的。

　　所有試樣的SEM圖像如圖2 所示。從圖中可以看出，圖2(a)即#1 表面致密，但有少量的針孔和較多、較大的顆粒，使薄膜的粗糙度有所降低。圖2(b)表面較平，但有較多凹坑，有較少顆粒。

a.TiAlCrN(#1)；b.TiAlCrN(#2)；c.TiAlCrN(#3)；d.TiAlCrN(#4)；e.TiAlCrN(#5)；f.TiAlN(#6)

圖2 薄膜樣品的SEM圖像

　　圖2(c)—圖2(e)即#3－#5隨Cr含量增加，表面細(xì)膩程度越好。這三個試樣組織致密，有起伏，但沒有針孔、孔洞，也沒有大的突起。有規(guī)律的長條紋為基體拋光細(xì)小劃痕所致。圖2(f)為TiAlN 薄膜的表面形貌。表面也較為光滑、平整、致密，但與#1相似，有少量針孔和較多突起。