1.2 .1Màng đơn lớp
1.2.2 Màng đa lớp
Nghiên cứu chế tạo màng đa lớp cũng được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới tập trung nghiên cứu và được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau.
Harish và các cộng sự [49] đã nghiên cứu chế tạo màng đa lớp TiN/CrN bằng phương pháp phún xạ magnetron phản ứng. Kết quả cho thấy độ cứng cực đại thu được 3800 kg/mm2 và giảm x́ng cịn 2800 kg/mm2 khi màng được xử lý nhiệt tại 700oC. Trong khi đó, lớp TiN bắt đầu bị ơ xi hóa tại 550oC, cịn lớp CrN bắt đầu ơ xi hóa tại 700 oC. Như vậy việc kết hợp giữa lớp TiN và CrN sẽ làm tăng khả năng chớng ơ xi hóa cho màng phủ. Chế tạo màng đa lớp TiAlN/CrN bằng phương pháp phún xạ magnetron phản ứng sử dụng bia Ti50Al50 và bia Cr trong môi trường hỗn hợp khí Ar/N2. Barshilia và nhóm nghiên cứu [50] đã chỉ ra cấu trúc B1 NaCl của màng TiAlN và màng CrN tại lưu lượng khí 2,5 sccm. Độ cứng cực đại của màng đa lớp đạt 3900 kg/mm2 và không bị ơ xi hóa tại nhiệt độ trên 800oC. Ngồi ra, kết quả phân tích bề mặt bằng phương pháp hiển vi nguyên tử lực (AFM - Atomic force microscope) cho thấy mẫu màng TiAlN/CrN có bề mặt mịn so với màng TiAlN và các màng TiAlN, TiAlN/CrN nung tại nhiệt độ 800oC.
Hình 1.8. Ảnh AFM của màng TiAlN, TiAlN/CrN tại nhiệt độ phòng (a,b) và
tại nhiệt độ 800oC (c,d)[50].
Yang và các cộng sự [51] chế tạo màng đa lớp TiSiN/CrN bằng phương pháp hồ quang catốt (cathodic arc deposition) sử dụng hai bia TiSi (80:20) và bia Cr.
Màng đa lớp TiSiN/CrN chế tạo được có cấu trúc tinh thể B1- NaCl, không tồn tại pha Si3N4. Độ cứng của màng đạt giá trị cực đại 37 GPa và môdul đàn hồi 396 GPa tại chiều dày cặp lớp màng 8,3 nm. Hệ số ma sát của màng đa lớp (0,35-0,5) thấp hơn so với màng đơn lớp TiSiN (0,5-0,6). Khi nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày cặp lớp màng đến tính chất của màng đa lớp TiAlN/CrN, Chang và nhóm nghiên cứu [52] đã tiến hành chế tạo màng đa lớp bằng phương pháp bốc bay hồ quang catốt sử dụng bia Ti50Al50 và bia Cr. Chiều dày của các lớp màng đơn được thay đổi bằng cách thay đổi tốc độ quay của đế giữ mẫu. Kết quả chỉ ra độ cứng cao nhất của màng đa lớp đạt 36 GPa với ứng suất dư – 6,2 GPa tại chiều dày cặp lớp màng trong khoảng 6 - 12 nm. Hệ sớ ma sát của màng màng đa lớp TiAlN/CrN có giá trị thấp nhất (~0,4 - 0,5) so với các màng đơn lớp TiAlN và CrN được chỉ ra trên hình 1.9 dưới đây:
Hình 1.9. Hệ sớ ma sát của màng đa lớp TiAlN/CrN và màng đơn lớp TiAlN,
CrN [52].
Với phương pháp chế tạo bằng bốc bay hồ quang catốt, Sun và cộng sự [53] đã phân tích cấu trúc và các tính chất của màng đa lớp TiAlN/CrN trên nền thép không gỉ SUS403. Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày cặp lớp màng đơn thông qua tốc độ quay của đế giữ mẫu. Kết quả chỉ ra độ cứng của màng đạt giá trị cực đại và khả năng chớng mài mịn, ăn mịn tớt nhất tại tốc độ quay của đế giữ mẫu 4 rpm (tương đương với chiều dày cặp lớp màng 7 nm). Nghiên cứu hình thái học bề mặt của màng đa lớp TiAlN/CrN, Delisle và nhóm nghiên cứu [54] đã tiến hành chế tạo màng đa lớp TiAlN/CrN với chiều dày cặp lớp màng đơn từ 2, 4, 8 và 16 nm. Hai bia Cr (99,99%) và bia TiAl được gắn vào hai súng phún xạ (catốt) với
khoảng cách từ bia tới đế là 10 cm. Kết quả thu được cấu trúc và độ mấp mô bề mặt của màng đa lớp TiAlN/CrN phụ thuộc vào chiều dày cặp lớp màng. Trong nghiên cứu của Sui và nhóm nghiên cứu [55] đã thực hiện cải thiện độ dai phá hủy của màng đa lớp TiAlN/Cr ứng dụng cho dụng cụ cắt gọt tốc độ cao. Kết quả cho thấy độ cứng của màng giảm từ 24,5 GPa xuống 18,1 GPa khi chiều dày cặp lớp màng của TiAlN và CrN tăng từ 12 nm lên 270 nm, độ dai phá hủy và độ bền bám dính của màng với đế tăng lên khi giảm chiều dày cặp lớp màng. Tại chiều dày cặp lớp màng TiAlN và CrN là 25 nm, độ dai phá hủy Kic 3,6 MPa.m1/2 và giá trị độ bền bám dính đạt được 107 N. Ngồi ra, trên ảnh SEM mặt cắt ngang của màng chế tạo cho thấy cấu trúc của màng đa lớp có dạng cột trên tất cả các mẫu và tỉ lệ giữa chiều dày của từng màng khơng có sự đồng đều (hình 1.10).
Hình 1.10. Ảnh SEM mặt cắt ngang của màng đa lớp TiAlN/CrN với chiều
dày màng đơn khác nhau [55].
Chang và cộng sự [56] đã tiến hành nghiên cứu khả năng chớng ơ xi hóa ở nhiệt độ cao của màng đa lớp AlxTi1-x/CrN. Để nghiên cứu khả năng chớng ơ xi hóa của màng, các mẫu sau khi chế tạo được nung trong khơng khí với nhiệt độ từ 700 – 1000oC, thời gian 2h. Kết quả cho thấy màng đa lớp có cấu trúc B1 NaCl, khi nung màng trong khoảng nhiệt độ từ 700 – 1000 oC xuất hiện hỗn hợp màng nitrua và màng ơxít của Al và Ti trên bề mặt. Cũng nghiên cứu khả năng chống ô xi hóa của màng đa lớp nhưng Fukumoto và công sự [57] tiến hành chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrAlN bằng phương pháp mạ ion hồ quang trên đế Si và hợp kim cứng WC-Co. Hai bia có thành phần Ti0,63Al0,27Si0,10 và bia Cr0,4Al0,6 được sử dụng trong
chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrAlN. Nghiên cứu khả năng chớng ơ xi hóa, Mori và công sự [58] đã chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrAlYN bằng phương pháp mạ ion hồ quang. Độ cứng cao nhất của màng đa lớp có giá trị 37,1 GPa cao hơn độ cứng của màng đơn lớp TiAlSiN (36,8 GPa) và CrAlYN (26,2 GPa).
Hình 1.11. Ảnh hưởng của chiều dày cặp lớp màng TiAlSiN-CrAlYN đến độ cứng của màng đa lớp TiAlSiN/CrAlYN [58].
Hiện nay các loại màng đơn lớp và màng đa lớp vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Tùy thuộc vào điều kiện chế tạo, thành phần của màng phủ và phạm vi ứng dụng, việc lựa chọn phủ màng đơn lớp hay phủ màng đa lớp là một nhân tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả kinh tế cũng như khả năng ứng dụng trong thực tiễn.