采用納米壓痕儀測(cè)量 Ta-Cr 涂層的納米力學(xué)性能，使用金剛石壓頭，泊松比為0. 27, 最大壓入深度800nm，在Ta-Cr涂層表面隨機(jī)選取8處位置進(jìn)行測(cè)試，任意兩處位點(diǎn)的距離大于10um，取8處測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值作為涂層硬度與彈性模量的測(cè)試值。
利用電化學(xué)工作站，采用三電極測(cè)試體系，測(cè)試 Ta-Cr 涂層在3. 5wt%的NaCl溶液中的極化曲線。工作電極是 Ta-Cr 涂層，有效面積為1. 8cm2,非測(cè)試表面由亞克力封裝，輔助電極是φ2mm的石墨棒，參比電極是Ag/AgCl電極（飽和KC1）。測(cè)試前,樣品在NaCl溶液中浸泡10min，使樣品的開(kāi)路電位穩(wěn)定。采用動(dòng)電位方式進(jìn)行測(cè)試，室溫，掃描速率為1mV/s。 采用軟件對(duì)極化曲線中Tafel區(qū)域進(jìn) 行數(shù)據(jù)擬合，得到自腐蝕電位Ecorr .自腐蝕電流密 度Jcorr和Tafel斜率等。
2 結(jié)果與討論
2.1 表觀形貌
圖1為不同Ta含量的 Ta-Cr 合金涂層的表觀形貌。
由圖1a ~1c中不同Ta含量的 Ta-Cr 合金涂層的表觀形貌可以看出，三種 Ta-Cr 涂層均沒(méi)有明顯的孔洞或其他缺陷,表面平整且致密,均由等軸晶粒所組成。
由圖1d中 Ta60 Cr40涂層的截面形貌可以看出，Ta60 Cr40涂層與基體界面結(jié)合緊密,未見(jiàn)明顯缺陷，該涂層與基體的結(jié)合力良好。根據(jù)涂層的截面形貌測(cè)量可知，Ta50 Cr50、Ta60 Cr40（見(jiàn)圖1d）和Ta50 Cr30涂層厚度分別為2. 0um、2. 6um和 2. 8um,Ta50 Cr50、Ta70 Cr30 涂層的截面形貌因與圖1 d所示Ta60Cr40涂層的截面形貌非常相似,文中未給出。
結(jié)合膜厚值與表2分析可知，隨著Ta靶的射頻濺射功率PTa靶增大（自120W增加至180W）和Cr靶的直流濺射功率PCr靶減?。ㄗ?0W降低至20W）,即雙靶濺射總功率P總（P總=PTa靶+ PCr靶）增大,涂層厚度增加,從2. 0um增加至2. 8um，同時(shí)Ta含量從50%上升至70%。因此,只需合理設(shè)定雙靶濺射功率（PTa靶和PCr靶）即可制備某一預(yù)設(shè)成分的Ta-Cr合金涂層。
2.2 物相組成
圖2為不同Ta含量Ta-Cr合金涂層的XRD譜
由Cr-Ta二元合金相圖可知，當(dāng)Ta含量為50% ~70%時(shí)，經(jīng)平衡凝固獲得的Cr-Ta二元合金，其室溫組織應(yīng)由高溫變體Cr2Ta （HT）和a-Ta兩相組成。由圖2可以看出，衍射角在35° - 45°之間的衍射峰為具備寬反射特征的“饅頭峰”, 該特征峰一般由具有非晶態(tài)相或不定型的物質(zhì)發(fā) 生X射線衍射形成。當(dāng)Ta含量為50%和 60%時(shí),Ta-Cr合金涂層由非晶態(tài)相和Cr晶相組成，此時(shí)Cr相沿著（111）晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)；當(dāng) Ta含量為70at%時(shí),Cr相沿著（110）晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)。
在Ta、Cr雙靶的的共濺射過(guò)程中，Cr靶經(jīng)直流磁控濺射的累計(jì)沉積時(shí)間比射頻磁控濺射Ta靶（頻率為13. 56MHz）的時(shí)間更長(zhǎng)，此外Cr涂層的晶化溫度為-53. 15℃，遠(yuǎn)低于涂層基體沉積時(shí)的加熱溫度（350℃）,這些都是促進(jìn)晶態(tài)Cr形成的原因。
圖3為T(mén)a50 Cr50合金涂層的DSC曲線。由圖 3可以看出，Ta50 Cr50非晶態(tài)二元合金涂層在 374℃開(kāi)始發(fā)生晶化。當(dāng)基體沉積時(shí)的加熱溫度低于薄膜的晶化溫度時(shí)，薄膜將以非晶態(tài)相形式沉積在該基體上。本文研究中基體溫度為350℃，低于Ta-Cr非晶態(tài)涂層的晶化溫度（Tx）374℃，因此Ta-Cr合金涂層具有非晶態(tài)相。研究結(jié)果說(shuō)明,當(dāng)濺射沉積過(guò)程沒(méi)有加熱時(shí),Cr含量在10% ~82%之間的Ta-Cr涂層易出現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu),本文研究結(jié)果與此相符。
2.3 納米力學(xué)性能
測(cè)試得到不同Ta含量的Ta-Cr涂層硬度與彈性模量如圖4所示。
由圖4可見(jiàn)，當(dāng)Ta含量分別為50%、60%和 70%時(shí)，Ta-Cr涂層的硬度分別為14. 2GPa、 12. 0GPa和11.4GPa,彈性模量分別為205. 2GPa、 180. 5GPa和178. 3GPa,表明涂層的硬度與彈性模量均隨Ta含量的升高而降低。大部分Ta-Cr非晶態(tài)涂層的硬度高于單質(zhì)金屬涂層（Ta或Cr）,但是隨著Ta含量不斷降低，合金涂層的硬度因質(zhì)軟的Cr晶相不斷增多而降低，當(dāng)Ta含量約為一半（47%）時(shí),Ta-Cr合金涂層的硬度因近非晶態(tài)相的存在而被強(qiáng)化，達(dá)到最大值（15. 1 GPa）。
按照Ta含量的變化間隔為8% ~10%對(duì)Ta-Cr合金涂層進(jìn)行取樣, 因樣本數(shù)量有限而難以獲取與涂層最大硬度相對(duì)應(yīng)Ta含量的精確范圍。
因此，本文研究結(jié)果與此結(jié)果基本一致，即Ta-Cr非晶態(tài)涂層在Ta含量約為一半(50%)時(shí)具有最大的硬度與彈性模量。
由彈性模量E計(jì)算有效彈性模量E *，計(jì)算公式為 E* = E/(1 - v2)，v為涂層的泊松比。
同時(shí)計(jì)算得到H/E( H為涂層的硬度)和H3/ E*2,繪制H/E和H3/E*2隨涂層中Ta含量的變化曲線如圖5所示。
由圖5可見(jiàn),Ta-Cr涂層的H/E值和H3/E*2值均隨著Ta含量增大而降低，其中 Ta50 Cr50 的剛度(H/E)與韌性(H3/E*2)最佳。涂層剛度越高，同時(shí)H3/E*2值越大，涂層韌性越高，本文研究結(jié)果與之相符。
2.4 極化曲線
圖6 為在3. 5%NaCl溶液中Ta-Cr涂層的極 化曲線。
表3是由圖6所示極化曲線得到的Tafel擬合數(shù)據(jù)。
由圖6和表3可以看出，Ta50 Cr50、Ta60 Cr40、Ta70 Cr30的Ecorr比較接近，Ta70 Cr30涂層的Jcorr最大，為1.043uA/cm2, Ta60 Cr40涂層的人Jcorr最小,為 0. 588uA/cm2,表明Ta50 Cr50、Ta60 Cr40、Ta70 Cr30三種涂層均具有相同量級(jí)的如,耐蝕性均較好，其中Ta60 Cr40涂層的耐蝕性最好。
3 結(jié)論
(1) 通過(guò)調(diào)控雙靶的濺射功率制備出三種成分的 Ta-Cr 合金涂層 Ta50 Cr50、Ta60 Cr40 和 Ta70 Cr30,涂層表面形貌平整、光滑、致密，因其晶化溫度高而易形成非晶態(tài)組織，同時(shí)伴有Cr晶相。
(2) 三種Ta-Cr合金涂層隨著Ta含量降低，Ta-Cr涂層的硬度、彈性模量與韌性均升高。
(3) 三種Ta-Cr合金涂層均具有較好的耐腐蝕性，其中Ta60 Cr40涂層耐腐蝕性最佳。
摘自——沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)
