Tóm tắt Luận án Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của màng phủ nitrua trên nền hợp kim cứng wc - Co bằng phương pháp phún xạ magnetron

là: “Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của màng phủ nitrua trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng phương pháp phún xạ magnetron”. 2. Mục tiêu của luận án 3 - Chế tạo và đặc trưng được tính chất của màng phủ cứng nitrua đơn lớp – đa nguyên tố (TiAlXN (X: Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) có độ cứng cao, hệ số ma sát thấp. - Tìm và khảo sát được ảnh hưởng của các thông số chính quyết định đến tính chất của các loại màng phủ. 3. Nội dung của luận án - Tổng quan tình hình nghiên cứu màng phủ nitrua đơn lớp và đa lớp tại Việt Nam và trên thế giới. - Giới thiệu các phương pháp chế tạo màng và cơ chế hình thành và phát triển màng. - Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp TiAlXN (X: Si, B,V) bằng phương pháp phún xạ magnetron, trong đó: + Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cơ bản như công suất phún xạ, áp suất phún xạ, khoảng cách giữa bia và đế đến độ cứng của màng phủ + Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến đặc trưng tính chất của màng đơn lớp - Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đa lớp TiAlXN/CrN (X:Si, B) bằng phương pháp phún xạ magnetron và các đặc trưng tính chất của màng phủ đa lớp. Các kết quả chính của luận án đạt được - Đã chế tạo thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tố TiAlXN (X:Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng công nghệ phún xạ magnetron. - Đối với màng phủ cứng đơn lớp, đã khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí N2 đến các tính chất của 3 loại màng TiAlXN sử dụng hệ bia Ti50Al40X10 (X:Si, B, V). Cụ thể, đã xác định được lưu 4 lượng dòng khí N2 tối ưu là 6 sccm đối với màng TiAlSiN và TiAlVN, đối với màng TiAlBN là 4sccm. - Đối với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN, đã khảo sát ảnh hưởng của chiều dày cặp màng và số cặp màng đến độ cứng của màng đa lớp. Cụ thể, màng phủ đa lớp TiAlSiN/CrN có độ cứng cao nhất tại giá trị chiều dày cặp màng là 245 nm (màng TiAlSiN là 127 nm và màng CrN là 118 nm) và tổng số cặp màng là 6 cặp (12 lớp). Còn đối với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao nhất tại giá trị chiều dày cặp màng là 232 nm và tổng số cặp màng là 7 (14 lớp). CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN - Trình bày các khái niệm và lịch sử phát triển màng phủ. - Tình hình nghiên cứu về màng phủ nitrua đơn lớp và đa lớp ở trên thế giới. - Giới thiệu cấu trúc của màng phủ TiN, AlN, TiAlN và CrN - Các phương pháp chế tạo màng được giới thiệu gồm: phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD). Trong luận án này, phương pháp PVD (cụ thể là phương pháp phún xạ magnetron) được sử dụng để chế tạo màng đơn lớp và đa lớp, đây cũng là phương pháp phổ biến thường được sử dụng trong công nghiệp sản xuất bởi vì đây là phương pháp đơn giản, dễ điều khiển, dễ tự động hóa. - Quá trình hình thành màng phủ bằng phương pháp phún xạ và các ứng dụng của màng phủ nitrua cũng như tình hình nghiên cứu tại Việt Nam. CHƯƠNG 2. CHUẨN BỊ MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp chế tạo màng nitrua 5 Qua tham khảo, phân tích các nghiên cứu đã công bố trên thế giới về thành phần màng phủ trên cơ sở hợp kim Ti-Al [31,34, 45- 47], kế thừa các kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KITECH) [31], trong luận án này, các loại màng phủ được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron với 2 hệ bia gồm: - 01 hệ bia có thành phần TiAl-X (X: V, B, Si) để chế tạo màng phủ đơn lớp, - 02 hệ bia, một có thành phần TiAl-X (X: V, B, Si) và bia còn lại là kim loại Cr > 99,9% để chế tạo màng phủ đa lớp. Thành phần hóa học của các loại bia này được trình bày tại bảng 2.1. Bảng 2.1. Thành phần hóa học của 2 hệ bia sử dụng. Nguyên tố Ti Al X (1 trong 3 nguyên tố: V, B, Si) Cr Kích thước (% khối lượng mol nguyên tử) Hệ 1 50 40 10 ɸ75 x 8 mm Hệ 2 100 ɸ75 x 8 mm 2.1.1. Chế tạo bia phún xạ Trong nghiên cứu này, bia phún xạ được chế tạo từ 3 nguyên tố kim loại (Ti, Al, X (Si, B, V)) bằng phương pháp luyện kim bột. Kích thước bia phún xạ sau khi chế tạo có kích thước ɸ75 x 8 mm. 2.1.2. Chế tạo màng phủ nitrua 2.1.2.1. Chuẩn bị bề mặt mẫu đế Mẫu hợp kim WC-Co được mài và đánh bóng, sau đó tiếp tục làm sạch tiếp bằng thiết bị rung siêu âm trong môi trường cồn hoặc aceton với thời gian 10 phút để loại bỏ các chất bẩn bám trên bề mặt của mẫu. 6 2.1.2.2. Chế tạo màng đơn lớp TiAlXN Mẫu hợp kim WC-Co và đế Si (100) sau khi xử lý bề mặt được đưa vào buồng chân không 1.5x10-3 Pa trong thiết bị phún xạ magnetron (hình 2.5). Để loại bỏ tiếp các tạp chất có trên bề mặt mẫu như bụi bẩn và màng ôxít, mẫu tiếp tục được làm sạch bằng cách bắn phá các ion Ar+ lên trên bề mặt của mẫu với thời gian 30 phút dưới áp suất 10 mtorr, sử dụng nguồn phóng điện xung một chiều với các thông số Us=600v, Is=0.02A, và f= 150KHz. Mẫu sau khi làm sạch sẽ tiến hành phún xạ tạo màng trong môi trường hỗn hợp khí Ar:N2. Để tăng khả năng bám dính giữa lớp màng và đế, trước khi phún xạ mẫu sẽ được phủ một lớp trung gian Cr hoặc Ti lên trên bề mặt của đế. Điều kiện chế tạo màng phủ cứng đơn lớp Các thông số của quá trình phún xạ tạo màng như sau: o Công suất phún xạ: 200-350W o Áp suất phún xạ: 2.5; 5; 7; 10 mtorr o Lưu lượng dòng khí N2: 2; 4; 6; 8; 10 sccm (màng TiAlSiN, TiAlBN); 4; 6; 8; 10 sccm (màng TiAlVN), lưu lượng dòng khí Ar: 36 sccm được giữ cố định trong suốt quá trình phún xạ o Khoảng cách giữa bia và mẫu WC-Co: 30-60 mm o Thời gian phún xạ: 30 phút o Nhiệt độ đế phún xạ: nhiệt độ phòng (25oC) o Thành phần bia phún xạ: Ti50Al40X10 Sau khi kết thúc quá trình phún xạ, mẫu được làm nguội trong buồng chân không với thời gian 15 phút. Sau đó lấy mẫu ra và đem đi phân tích các đặc trưng tính chất. 2.1.2.3. Chế tạo màng đa lớp TiAlX(Si,B)N/CrN 7 Kế thừa các thông số cơ bản đã được tối ưu trong nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp, màng phủ đa lớp được chế tạo với các thông số sau: - Công suất phún xạ: 300 W - Áp suất phún xạ: 5 mtorr - Khoảng cách giữa bia phún xạ và đế hợp kim WC-Co (hoặc đế Si): 50 mm - Lưu lượng khí làm việc Ar: 36 sccm, lưu lượng dòng khí N2: 6 sccm (TiAlSiN/CrN) và 4 sccm (TiAlBN/CrN) - Thời gian phún xạ: TiAlX(Si,B)N: 5-15 phút, CrN: 2-6 phút - Nhiệt độ đế phún xạ: tại nhiệt độ phòng (25 oC) CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐƠN LỚP TiAlXN (X: Si, B, V) 3.1. Tối ưu hóa các thông số cơ bản của quá trình phún xạ Các thông số cơ bản gồm công suất phún xạ, áp suất phún xạ và khoảng cách giữa bia và đế hợp kim WC-Co được xác định thông qua ảnh hưởng đến độ cứng của màng. Các thông số cơ bản được xác định như sau: o Công suất phún xạ: 300W o Áp suất phún xạ: 5 mtorr o Khoảng cách giữa bia và đế hợp kim WC-Co (hoặc đế Si): 50 mm 3.2. Chế tạo các màng đơn lớp TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN Trong công nghệ chế tạo màng phủ nitrua bằng phương pháp phún xạ, có hai loại khí được sử dụng gồm: (i) khí làm việc Ar; (ii) khí hoạt tính hay khí phản ứng N2. Trong đó, khí làm việc Ar để kích thích quá trình ion hóa các nguyên tử hay phân tử khí và hình thành vùng plasma, còn khí phản ứng N2 có tác dụng hình thành các hợp chất nitrua. Hợp chất nitrua này có thể được hình thành ngay trên bề 8 mặt bia nếu năng lượng bắn phá đủ lớn hoặc hình thành trong quá trình di chuyển của các nguyên tử bứt ra về phía đế, thậm chí có thể hình thành trên bề mặt đế ngay sau khi lắng đọng. Có thể thấy rằng, lưu lượng của khí N2 có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành màng phủ nitrua, cũng như đến các tính chất của màng. Đã có một số nguyên cứu chỉ ra ảnh hưởng của hàm lượng khí phản ứng N2 đến các tính chất của màng như độ cứng, hệ số ma sát, kích thước hạt tinh thể, thành phần pha [33,77-78, 80-81]. Như vậy, vai trò của khí N2 là rất quan trọng trong việc hình thành màng phủ nitrua. Nhận thức được tầm quan trọng của khí N2, trong phần tiếp theo, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến sự hình thành và tính chất của các màng phủ nitrua. 3.2.1. Màng TiAlSiN 3.2.1.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlSiN Tại lưu lượng khí 6 sccm, màng có cấu trúc tinh thể dạng lập phương tâm mặt (fcc) khá hoàn hảo (theo JCPDS chuẩn No: 38- 1420), với hai đỉnh nhiễu xạ của TiN theo mặt tinh thể (111) và (220). Đỉnh nhiễu xạ TiN (111) có cường độ mạnh nhất tại góc nhiễu xạ 36,6o. Tuy nhiên, khi lưu lượng khí N2 tăng lên trên 8 sccm, cường độ đỉnh nhiễu xạ TiN (111) giảm dần trong khi cường độ nhiễu xạ TiN (200) tăng dần. Xu hướng này xảy ra đối với màng chế tạo tại lưu lượng khí N2 10 sccm. Ngoài ra, tại lưu lượng khí N2 10 sccm còn xuất hiện thêm đỉnh nhiễu xạ TiN (311). 9 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TiAlSiN tại các lưu lượng dòng khí N2 khác nhau. Màng có kích thước hạt mịn tại các lưu lượng khí N2 là 2, 4 và 6 sccm. Ngoài ra, trên ảnh SEM còn cho thấy bề mặt của màng xuất hiện các lỗ xốp tại các lưu lượng khí N2 2 sccm và 4 sccm. Điều này gợi ý rằng, tỉ trọng của màng phủ TiAlSiN chế tạo được là không cao tại các lưu lượng khí này. Thêm vào đó, dễ dàng quan sát thấy, kích thước hạt của màng tăng lên khi lưu lượng khí tăng từ 2 đến 10 sccm. Hình 3.2. Cấu trúc bề mặt của màng TiAlSiN và chiều dày của màng tại lưu lượng khí N2 khác nhau. Quan sát hình ảnh nhỏ (bên góc phải) mặt cắt ngang và chiều dày của màng có thể thấy tại lưu lượng khí N2 thấp, bề mặt cắt ngang 10 của màng mịn và không quan sát thấy đường kẻ sọc dạng cột so với các mẫu thu được tại lưu lượng khí N2 cao (8, 10 sccm). Có được điều này là do sự tăng kích thước hạt tinh thể của màng phủ chế tạo. Trong khi đó, chiều dày của màng chế tạo giảm từ 4,32 µm xuống 3,58 µm khi lưu lượng khí N2 được tăng từ 2 sccm đến 10 sccm. 3.2.1.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlSiN Hình 3.3. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí N2 đến độ cứng của màng. Kết quả cho thấy độ cứng tăng từ 24 GPa lên 33,5 GPa khi lưu lượng dòng khí N2 tăng từ 2 sccm lên 6 sccm. Nếu lưu lượng dòng khí N2 tiếp tục tăng lên 8 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng TiAlSiN có xu hướng giảm. Kết quả modul đàn hồi có xu hướng tương tự như giá trị độ cứng. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 sccm đến 6 sccm, modul đàn hồi tăng từ 267 GPa lên 346 GPa. Modul đàn hồi của màng TiAlSiN giảm xuống khi lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng. 11 3.2.1.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn của màng TiAlSiN a) Điều kiện ma sát khô Hình 3.4. Hệ số ma sát của màng tại các lưu lượng khí N2 khác nhau. Tại lưu lượng khí N2 2 sccm có thể thấy được sự ổn định trong suốt quá trình trượt với giá trị hệ số ma sát trung bình ~ 0,74. Hệ số ma sát trung bình tăng lên 0,78 và 0,795 tại các lưu lượng khí N2 lần lượt là 4 sccm và 6 sccm, khi lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng lên, hệ số ma sát của màng tăng theo, đồng thời sự mất ổn định trong quá trình trượt cũng tăng, điều này được chỉ ra ở sự tăng giảm không ổn định đối với các mẫu được phún xạ tại lưu lượng khí N2 8 sccm và 10 sccm. b) Điều kiện ma sát ướt (trong dầu) Hệ số ma sát trung bình của màng tại các lưu lượng khí N2 thấp tại 2, 4, 6 sccm nằm trong khoảng từ 0,08 – 0,1 và tăng lên > 0,1 tại lưu lượng khí N2 8 sccm và 10 sccm. Cụ thể, hệ số ma sát thấp nhất thu được tại lưu lượng khí N2 tại 2 sccm và cao nhất thu được tại lưu lượng khí N2 tại 10 sccm. 12 3.2.1.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng TiAlSiN Trong nghiên cứu này, độ bền bám dính được đánh giá thông qua lực tì của đầu mũi rạch. Giá trị lực tì này được tăng dần đều và khi đạt đến một giá trị lực nhất định làm cho màng phủ bắt đầu xuất hiện bong tróc khỏi bề mặt đế gọi là lực tới hạn. Khi tăng lưu lượng khí từ 2 sccm đến 6 sccm, giá trị lực tới hạn tăng từ 18,3 N lên 23,9 N. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí N2 lên, giá trị lực tới hạn giảm xuống. Hay nói cách khác, độ bền bám dính giữa màng và đế hợp kim sẽ giảm xuống. Chi tiết kết quả độ bền bám dính được thể hiện trong bảng dưới đây: Bảng 3.2. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử dụng lớp trung gian. 2ccm 4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm Lớp trung gian Cr Lực tới hạn (N) 18,3 20,7 23,9 19,9 17,6 36,5 3.2.2. Màng TiAlBN 3.2.2.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlBN Với mẫu phún xạ tại lưu lượng khí N2 4 sccm chỉ ra ba đỉnh nhiễu xạ của TiN tại vị trí 36.6o, 61.8o và 77.9o, tương ứng với các mặt tinh thể lần lượt là (111), (220) và (222). Theo JCPDS chuẩn No: 38-1420, TiN với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) . Ngoài ra, giản đồ nhiễu xạ còn cho biết cường độ và vị trí các đỉnh nhiễu xạ thay đổi theo lưu lượng khí N2. Tại lưu lượng khí N2 4 sccm, cường độ đỉnh nhiễu xạ theo mặt (111) là mạnh nhất. Nếu tiếp tục tăng lưu 13 lượng khí N2 lên, đỉnh nhiễu xạ TiN (111) giảm dần và cường độ đỉnh nhiễu xạ thấp nhất tại lưu lượng khí N2 10 sccm. 3.2.2.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlBN Có thể thấy rằng độ cứng nhỏ nhất thu được tại lưu lượng dòng khí N2 2 sccm. Khi lưu lượng dòng khí N2 tăng, độ cứng của màng TiAlBN tăng và đạt giá trị cực đại (~ 41 GPa) tại lưu lượng dòng khí N2 là 4 sccm. Nếu lưu lượng dòng khí N2 tiếp tục được tăng lên 6 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng có xu hướng giảm dần. Kết quả modul đàn hồi có xu hướng tương tự như giá trị độ cứng. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 sccm đến 4 sccm, modul đàn hồi tăng từ 207 GPa lên 396 GPa. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2, modul đàn hồi của màng TiAlBN giảm xuống. 3.2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn của màng TiAlBN a) Điều kiện ma sát khô Kết quả cho thấy hệ số ma sát của màng tăng khi lưu lượng khí N2 tăng. Tại lưu lượng khí N2 thấp (2 - 6 sccm), hệ số ma sát của màng tương đối ổn định trong suốt quãng đường trượt. Tuy nhiên, với lưu lượng khí N2 cao thì hệ số ma sát của màng tăng giảm liên tục. Kết quả trên hình nhỏ còn chỉ ra hệ số ma sát của màng tăng từ 0,46 đến 0,69 khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 đến 10 sccm. b) Điều kiện ma sát ướt (trong dầu) Kết quả cho thấy hệ số ma sát tăng cùng với sự tăng của lưu lượng khí N2. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 đến 4 sccm, hệ số ma sát ướt của màng tăng tương ứng từ 0,053 lên 0,054. Nếu lưu lượng khí tiếp tục tăng lên 6 sccm đến 10 sccm, hệ số ma sát ướt của màng tăng từ 0,98 đến 0,135. 14 3.2.2.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng TiAlBN Kết quả cho thấy độ bền bám dính tốt nhất tại lưu lượng khí N2 trong khoảng 4 - 6 sccm tương ứng với tải tới hạn từ 19,1 N – 20,3 N. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2 lên, tải tới hạn có xu hướng giảm xuống. Ngoài ra, khi sử dụng lớp trung gian Cr độ bền bám dính của màng tăng lên gấp 2 lần so với không sử dụng lớp trung gian. Bảng 3.5. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử dụng lớp trung gian. 2ccm 4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm Lớp trung gian Cr Lực tới hạn (N) 17,8 19,1 20,3 15,6 16 42,4 3.2.3. Màng TiAlVN 3.2.3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlVN Chỉ có duy nhất một đỉnh nhiễu xạ có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) TiN (220) hoặc TiAlVN khi lưu lượng khí N2 đưa vào là 4 sccm. Khi lưu lượng khí tăng lên 6 sccm, xuất hiện 3 đỉnh nhiễu xạ có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) - TiN (111), (200) và (220). Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2 lên 8 sccm và 10 sccm, màng thu được có cấu trúc hai pha gồm: lục giác xếp chặt (hcp) - AlN và lập phương tâm mặt (fcc) - TiN. Hay nói cách khác, màng thu được có cấu trúc đơn pha tại lưu lượng khí N2 thấp (4, 6 sccm) và màng thu được có cấu trúc 2 pha fcc + hcp tại lưu lượng khí N2 cao (8,10 sccm). 3.2.3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlVN 15 Độ cứng của màng tăng từ 30,6 GPa lên 36,5 GPa khi lưu lượng khí N2 tăng từ 4 sccm lên 6 sccm. Nếu lưu lượng khí N2 tiếp tục được tăng lên 8 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng có xu hướng giảm xuống. 3.2.3.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn của màng TiAlVN a) Điều kiện ma sát khô Trạng thái ban đầu, hầu hết hệ số ma sát của các màng phủ tăng nhanh, sau đó nó có xu hướng giảm dần ngoại trừ màng phủ được phún xạ tại lưu lượng khí N2 là 12 sccm. Ngoài ra, kết quả còn cho thấy màng phủ phún xạ tại 4 sccm có hệ số ma sát thấp nhất (~0,52). Khi tăng lưu lượng khí N2 từ 6 sccm đến 8 sccm, hệ số ma sát trung bình của các màng phủ tăng từ 0,58 lên 0,73 và giá trị hệ số ma sát cao nhất (~0,89) tại lưu lượng khí N2 là 10 sccm. b) Điều kiện ma sát ướt Kết quả cho thấy hệ số ma sát trong điều kiện dầu tăng từ 0,094 lên 0,143 khi lưu lượng N2 tăng từ 4 sccm lên 10 sccm. So sánh với điều kiện ma sát khô, hệ số ma sát trong điều kiện có dầu bôi trơn giảm từ 5-6 lần. c) Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hệ số ma sát của màng Khi mẫu được nung tại nhiệt độ 500oC, hệ số ma sát của màng tăng. Kết quả này có thể là do sự hình thành các ôxít nhôm trên bề mặt của mẫu hoặc do sự thô hóa kích thước hạt của màng, trong khi đó các pha Magnéli chưa được hình thành ở nhiệt độ này. Khi tăng nhiệt độ nung lên 600oC và 700oC, hệ số ma sát của màng giảm xuống lần lượt là 0,45 và 0,38. 3.2.3.4. Ảnh hưởng đến độ bền bám dính của màng TiAlVN 16 Kết quả cho thấy độ bền bám dính của màng TiAlVN được phún xạ tại lưu lượng khí N2 6 sccm có giá trị lực tới hạn cao nhất 24,4 N. Giá trị lực tới hạn thấp nhất tại lưu lượng khí 10 sccm là 18,3 N. Khi sử dụng lớp trung gian Cr hoặc Ti, độ bền bám dính của màng tăng từ 1,5-2 lần. Bảng 3.8. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử dụng lớp trung gian Cr, Ti. 4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm Lớp trung gian Cr Lớp trung gian Ti Lực tới hạn (N) 22,1 24,4 19,9 18,3 41 47,2 3.2.4. So sánh cơ tính của các màng chế tạo TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN Bảng 3.9. Kết quả cơ tính của ba màng TiAlSiN, TiAlBN & TiAlVN Độ cứng (GPa) Modul đàn hồi (GPa) Hệ số ma sát Độ bền bám dính Ma sát khô Ma sát ướt Không có lớp trung gian Sử dụng lớp trung gian TiAlSiN 33,5 346 0,795 0,105 23,4 36,5 (Cr) TiAlBN 41 396 0,52 0,075 19,1 42,4 (Cr) TiAlVN 36,5 372 0,58 (chưa nung); 0,45 tại 600oC) và 0,38 tại 700oC 0,112 24,4 41 (Ti); 47,2 (Cr) 17 CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐA LỚP TiAl- X(Si,B)N/CrN Màng phủ cứng đa lớp TiAl-X(Si,B)N/CrN trên đế Si và đế hợp kim WC-Co được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron một chiều sử dụng hai bia phún xạ Ti50Al40X10 (X: Si,B) và bia Cr. Thông số cơ bản của quá trình phún xạ bao gồm: công suất phún xạ (300W), áp suất phún xạ (5 mtor), khoảng cách giữa đế và bia phún xạ (50 mm) và lưu lượng khí Ar được giữ tại 36 sccm. Trong khi đó lưu lượng khí N2 là 6 sccm với màng đa lớp TiAlSiN/CrN và 4 sccm với màng TiAlBN/CrN. Thời gian phún xạ được thay đổi để khảo sát chiều dày của các màng đơn như sau: TiAlSiN, TiAlBN: 10-15 phút và CrN: 1-3 phút. 4.1. Màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.1. Cấu trúc của màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.1.1. Cấu trúc pha Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng đa lớp TiAlSiN/CrN (a); màng đơn lớp CrN (b); màng đơn lớp TiAlSiN (c). Kết quả nhiễu xạ của màng đa lớp TiAlSiN/CrN (hình 4.1c) cho thấy sự xuất hiện các đỉnh phổ của màng đa lớp là sự kết hợp của các màng đơn lớp TiAlSiN và CrN. Tuy nhiên, vị trí của các đỉnh nhiễu 18 xạ bị xê dịch so với các đỉnh nhiễu xạ của TiN và CrN. Nguyên nhân là do sự thay thế nguyên tử Cr vào vị trí của nguyên tử Ti với bán kính nguyên tử khác nhau gây ra sự sai lệch thông số mạng. 4.1.1.2. Cấu trúc tế vi Hình 4.2. Hình thái học bề mặt và mặt cắt ngang của màng đa lớp TiAlSiN/CrN :(a,d)- 2 lớp; (b-e)- 4 lớp; (c-f): 12 lớp. Khi chiều dày của cặp lớp màng TiAlSiN-CrN giảm xuống, kích thước hạt bề mặt tăng lên và ngược lại khi chiều dày của cặp lớp màng tăng thì bề mặt của màng đa lớp TiAlSiN/CrN giảm xuống. 4.1.2. Độ cứng và modul đàn hồi của màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.2.1. Ảnh hưởng chiều dày cặp lớp màng Kết quả độ cứng của màng đa lớp nằm trong khoảng từ 21 GPa đến 31,2 GPa. Giá trị độ cứng cực đại được xác định tại giá trị chiều dày 245 nm (trong đó TiAlSiN-127 nm & CrN-118 nm). Khi tăng chiều dày của cặp lớp màng lên, độ cứng của màng có xu hướng giảm. 4.1.2.2. Ảnh hưởng của số lớp màng 19 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng cho thấy khi tăng số lớp màng từ 2 lên 12 lớp, độ cứng của màng tăng nhanh từ 18,3 GPa lên 31,4 GPa. Nếu tiếp tục tăng số lớp màng lên, giá trị độ cứng của màng đa lớp TiAlSiN/CrN không có sự thay đổi đáng kể nào. 4.1.3. Hệ số ma sát của màng đa lớpTiAlSiN/CrN Giá trị hệ số ma sát trung bình của đế hợp kim WC-Co là 0,74, trong khi đó hệ số ma sát trung bình của màng đơn lớp TiAlSiN và CrN lần lượt là 0,81 và 0,66 và màng đa lớp TiAlSiN/CrN là 0.71. 4.1.4. Độ bền bám dính của màng đa lớpTiAlSiN/CrN Quá trình chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrN có sử dụng lớp trung gian, độ bền bám dính giữa màng và đế hợp kim được cải thiện đáng kể. Khi lớp trung gian Cr không được sử dụng, lực tới hạn thu được 26,3N, còn lớp trung gian Cr được sử dụng trong quá trình phún xạ tạo màng thì giá trị lực tới hạn > 30N. 4.2. Màng đa lớp TiAlBN/CrN 4.2.1. Cấu trúc của màng đa lớp TiAlBN/CrN 4.2.1.1 Cấu trúc pha Kết quả cho thấy trên phổ nhiễu xạ của màng đa lớp (hình 4.9c) xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ là sự kết hợp các đỉnh nhiễu xạ của màng đơn lớp 4.2.1.2. Cấu trúc tế vi của màng đa lớp Kết quả cho thấy khi chiều dày của cặp lớp màng giảm xuống từ (815 + 663 nm) đến (79 + 86 nm), kích thước hạt của màng đa lớp cũng giảm xuống (hình 4.10 a-c). Nguyên nhân này được cho là màng đơn lớp TiAlBN có cấu trúc hạt mịn hơn so với màng CrN, khi chiều dày cặp lớp màng nhỏ thì bề mặt của màng đa lớp bị ảnh hưởng bởi cả màng TiAlBN và CrN. 4.2.2. Độ cứng và modul đàn hồi của màng đa lớp TiAlBN/CrN 20 4.2.2.1. Ảnh hưởng chiều dày cặp lớp màng Kết quả cho thấy khi tăng chiều dày cặp lớp màng từ 165 nm lên 232 nm, độ cứng của màng tăng nhanh từ 28,2 GPa lên 33,8 GPa. Nếu tiếp tục tăng chiều dày của cặp lớp màng lên, độ cứng của màng có xu hướng giảm, xu hướng này tương tự như trong chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrN. 4.2.2.2. Ảnh hưởng của số lớp màng Kết quả cho thấy khi số lớp màng tăng từ 2 lên 14 lớp, độ cứng tăng từ 16.5 GPa lên 33.8 GPa. Nếu số lớp màng tiếp tục được tăng, độ cứng của màng phủ đa lớp TiAlBN/CrN gần như không thay đổi. 4.2.3 Hệ số ma sát của màng đa lớpTiAlBN/CrN Kết quả cho thấy giá trị hệ số ma sát của màng đơn TiAlBN thấp nhất (0.55), so sánh với hệ số ma sát của các mẫu màng đa lớp TiAlBN/CrN (0.59) và CrN (0.64) cũng như đế hợp kim WC-Co (0.75). 4.2.4. Độ bền bám dính của màng đa lớp TiAlBN/CrN Kết quả cho thấy với mẫu màng phủ chế tạo không sử dụng lớp trung gian, bề mặt của màng có xu hướng bị bong tróc tại giá trị lực tới hạn đạt 24.7 N. Khi lực tới hạn tiếp tục tăng lên, độ bong tróc của màng cũng tăng theo. Với mẫu màng phủ sử dụng lớp trung gian, không quan sát thấy hiện tượng bong tróc nào trên bề mặt của màng tại lực tới hạn 30 N. KẾT LUẬN CHUNG 1. Bằng việc tự chế tạo được bia phún xạ đa nguyên tố, đã chế tạo thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tố TiAlXN (X:Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng công nghệ phún xạ magnetron, bao gồm các 21 bước: (i) chế tạo bia phún xạ đa nguyên tố Ti50Al40X10 (X:Si, B, V) bằng phương pháp luyện kim bột tiên tiến, (ii) chuẩn bị bề mặt mẫu đế hợp kim WC-Co, (iii) phún xạ magnetron một chiều. Trong đó, các thông số cơ bản của quá trình phún xạ như sau: - Công suất phún xạ: 300 W - Áp suất phún xạ: 5 mtor - Khoảng các giữa bia và đế: 50 mm - Lưu lượng dòng khí Ar: 36 sccm - Lưu lượng dòng khí N2: từ 2 đến 10 sccm - Thời gian phún xạ: 30 phút 2. Đối với màng phủ cứng đơn lớp, đã khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí N2 đến các tính chất của 3 loại màng TiAlXN sử dụng hệ bia Ti50Al40X10 (X:Si, B, V). Cụ thể, đã xác định được lưu lượng dòng khí N2 tối ưu là 6 sccm đối với màng TiAlSiN và TiAlVN, đối với màng TiAlBN là 4sccm. 3. So sánh tính chất của màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN do luận án chế tạo với số liệu công bố trên thế giới, cho phép rút ra kết luận, màng phủ đơn lớp TiAlBN chế tạo được có độ cứng cao và hệ số ma sát thấp hơn so với các công bố trên thế giới ở cùng phương pháp chế tạo. Còn màng phủ đơn lớp TiAlSiN và TiAlVN chế tạo được có độ cứng và hệ số ma