BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

LƯƠNG VĂN ĐƯƠNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2019


ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

LƯƠNG VĂN ĐƯƠNG


của mình.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bạn bè và người
thân. Đặc biệt là vợ và hai con đã luôn động viên, giúp đỡ tôitrong suốt thời gian
học tập và hoàn thành luận án.


ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa được
công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đó.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Tác giả luận án

Lương Văn Đương


iii
MỤC LỤC
Lời cảm ơn ....................................................................................................................... i
Lời cam đoan ................................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................................... iii
Danh mục các hình vẽ đồ thì .......................................................................................... vi
Danh mục các bảng ......................................................................................................... x
Danh mục các ký hiệu , các chữ viết tắt ......................................................................... xi
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 4
1.1 Lịch sử phát triển màng phủ và phân loại ................................................................. 4
1.1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển ........................................................................ 4
1.1.2Phân loại màng phủ .......................................................................................... 5

2.1.2.4 Thiết bị phún xạ magnetron ............................................................... 44
2.2 Phương pháp và thiết bị đặc trưng tính chất của màng phủ .................................... 45
2.2.1 Thiết bị đo độ cứng nano-indenter ................................................................ 45
2.2.2 Thiết bị đo độ mấp mô bề mặt và chiều dày màng phủ................................. 46
2.2.3 Thiết bị đo hệ số ma sát, mài mòn ................................................................. 47
2.2.4 Thiết bị xác định độ bền bám dính ................................................................ 47
2.2.5 Các thiết bị khác ............................................................................................ 48
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐƠN LỚP TiAlXN (X:Si,B,V) ......... 51
3.1 Tối ưu hóa các thông số cơ bản của quá trình phún xạ ........................................... 51
3.1.1 Ảnh hưởng của công suất phún xạ đến độ cứng của màng TiAlXN ............. 51
3.1.2 Ảnh hưởng của áp suất phún xạ đến độ cứng của màng TiAlXN ................. 53
3.1.3 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa bia và đế đến độ cứng của màng
TiAlXN ............................................................................................................ 54
3.2 Chế tạo các màng đơn lớp TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN ...................................... 55
3.2.1Màng TiAlSiN ................................................................................................ 55
3.2.1.1 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa
học của màng TiAlSiN .................................................................................. 55
3.2.1.2 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlSiN .. 58
3.2.1.3 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn ....... 61
3.2.1.4 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng .. 66
3.2.2 Màng TiAlBN ................................................................................................ 69
3.2.2.1 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa
học của màng TiAlBN ................................................................................... 69


v
3.2.2.2 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlBN .. 71
3.2.2.3 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn ....... 73
3.2.2.4 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng .. 78
3.2.3 Màng TiAlVN................................................................................................ 79


vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4

Hình 1.13

Lịch sử phát triển các loại màng
Giá trị độ cứng của màng TiAl-XN so sánh với màng TiAlN
Ảnh HRTEM của màng TiAlBN: a) 7 rpm và 1 rpm
Ảnh hưởng của điện thế hiệu dịch đến độ cứng và modul đàn
hồi của màng TiAlVN
Ảnh hưởng của hàm lượng V đến độ cứng và modul đàn hồi
của màng TiAlVN
Hệ số ma sát của của màng phủ TiAlVN
Ảnh hưởng của hàm lượng Si đến độ cứng và modul đàn hồi của
màng TiAlSiN
Ảnh AFM của màng TiAlN, TiAlN/CrN tại nhiệt độ phòng (a,b)
và tại nhiệt độ 800oC
Hệ số ma sát của màng đa lớp TiAlN/CrN và màng đơn lớp
TiAlN, CrN
Ảnh SEM mặt cắt ngang của màng đa lớp TiAlN/CrN với chiều
dày màng đơn khác nhau
Ảnh hưởng của chiều dày của cặp lớp màng TiAlSiN-CrAlYN
đến độ cứng của màng đa lớp TiAlSiN/CrAlYN
Cấu trúc tinh thể của màng: a) cấu trúc B1, NaCl; b) cấu trúc B4
wutzite


Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12

Hình 1.24
Hình 1.25
Hình 2.1

Trang
5
7
9
10
10
11
12
13
14
15
16
17
17
18
20

Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13

Thiết bị mài mẫu (a); Thiết bị rung siêu âm (b); Bề mặt mẫu
WC-Co sau khi xử lý (c).
Sơ đồ thiết bị phún xạ magnetron
Sơ đồ chế tạo màng đa lớp TiAlX(Si,B)N/CrN bằng phương
pháp phún xạ magnetron
Bia phún xạ TiAlSi(B) và Cr được gắn trên thiết bị phún xạ
magnetron
Thiết bị phún xạ magnetron tại Viện KITECH, Hàn Quốc
Thiết bị đo độ cứng nano-indenter Helmut Fisher HM2000
Thiết bị đo độ mấp mô bề mặt và chiều dày màng phủ Surfcom
1500SD3
Thiết bị đo hệ số ma sát J&L Tech Tribometer
Thiết bị đo độ bền bám dính Scratch test
Thiết bị nhiễu xạ tia X, DMAX-2500) tại Viện KITECH, Hàn
Quốc
Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM, Nova NanoSEM 450, FEI
Co
Kính hiển vi quang học HUVITZ- HM-25PO
Ảnh hưởng của công suất phún xạ đến độ cứng của màng: (a)
TiAlSiN; (b) TiAlBN; (c) TiAlVN

49
50
51
52
53
54
56
57
58
59
60
62
63
64
65


viii
Hình 3.14
Hình 3.15

Hình 3.16
Hình 3.17

Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 3.23

Hình ảnh mấp mô bề mặt của màng TiAlBN trên thiết bị hiển vi
nguyên tử lực tại các lưu lượng khí N2 khác nhau
Đường mài mòn của màng TiAlBN tại các lưu lượng khí N2
khác nhau (trong điều kiện ma sát khô)
Hệ số ma sát của màng TiAlBN trong môi trường dầu
Đường mài mòn của màng TiAlBN tại lưu lượng khí N2 khác
nhau (trong điều kiện dầu GF4)
Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí N2 đến độ bền bám dính của
màng TiAlBN: a) 2 sccm; b) 4 sccm; c) 6 sccm; d) 8 sccm; e) 10
sccm
Độ bền bám dính của màng TiAlBN: (a) không sử dụng lớp
trung gian; (b) Sử dụng lớp trung gian Cr
Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TiAlVN chế tạo tại các lưu
lượng khí N2 khác nhau
Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc bề mặt của màng
TiAlVN: a) 4 sccm; b) 6sccm; c) 8 sccm; 10 sccm
Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc mặt cắt ngang và
chiều dày của màng TiAlVN: a) 4 sccm; b) 6 sccm; c) 8 sccm;
10 sccm
Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến thành phần của màng
TiAlVN
Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng

65

66
67
68

69

Hình 3.41
Hình 3.42
Hình 3.43
Hình 3.44
Hình 3.45
Hình 3.46
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7

TiAlVN
Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát của màng
TiAlVN: a) 4 sccm; b) 6sccm; c) 8 sccm; d) 10 sccm
Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ mấp mô bề mặt của
màng TiAlVN
Độ mấp mô bề mặt bề mặt của mẫu WC-Co trước và sau khi
phủ màng TiAlVN
Ảnh hiển vi quang học đường mài mòn của màng TiAlVN tại
các lưu lượng khí N2 khác nhau
Hệ số ma sát của màng TiAlVN trong môi trường dầu tại các
lưu lượng khí N2 khác nhau
Đường mài mòn của màng TiAlVN tại lưu lượng khí N2 khác
nhau (trong điều kiện dầu)
Liên kết giữa V-O trong hợp chất V2O5 (2 lớp)
Giản đồ nâng nhiệt mẫu màng phủ TiAlVN
Hình ảnh mẫu trước khi nung (a) và sau khi nung (b) trong

90
90
91
91
92
93
94
98
99
99
101
101
102
103


x
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13

Phổ nhiễu xạ tia x của màng đa lớp TiAlBN/CrN và đơn lớp
TiAlBN, CrN
Hình thái học bề mặt và mặt cắt ngang của màng đa lớp
TiAlBN/CrN :(a,d)- 2 lớp; (b-e)- 6 lớp; (c-f): 18 lớp
Ảnh hưởng của chiều dày lớp cặp màng đến độ cứng của màng
đa lớp TiAlBN/CrN

So sánh độ cứng của màng TiAlBN trong luận án chế tạo được
Bảng 3.4
với kết quả độ cứng đã công bố về màng TiAlBN
Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử dụng lớp trung
Bảng 3.5
gian Cr
Thành phần hóa học của màng phủ TiAlVN với các lưu lượng
Bảng 3.6
khí đưa vào khác nhau
So sánh độ cứng của luận án chế tạo được với kết quả độ cứng
Bảng 3.7
đã công bố về màng TiAlVN
Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử dụng lớp trung
Bảng 3.8
gian Cr, Ti
Kết quả cơ tính của ba màng TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN chế
Bảng 3.9 tạo

39

Bảng 4.1 So sánh tính chất của màng đa lớp TiAlSiN/CrN và
TiAlBN/CrN chế tạo

60
68
71
72
79
83
84


Thép gió AISI M2
Từ trường

CVD

Chemical vapor deposition

Lắng đọng pha hơi hóa học

DC

Direct current

Dòng điện một chiều

EBE

E - beam evaporation

Bốc bay chùm điện tử
Điện trường

E
FCC

Face centered cubic

GF4
HCP

PEMS

Phún nâng cao plasma

PVD

Plasma enhanced magnetron
sputtering
Physical vapor deposition

RF

Radio friquency

Cao tần (tần số radio)

RT

Room temperature

Nhiệt độ phòng

Rpm

Revolutions per minute

Tốc độ quay

SUJ2


được nghiên cứu chế tạo, từ những loại màng đơn lớp, đơn nguyên tố TiN [2-3],
TiC [4-6], CrN [7-9] cho đến những loại màng đơn lớp đa nguyên tố TiAlN [10-11],
TiAlSiN [12], TiAlBN [13]. Thêm vào đó, việc nghiên cứu chế tạo màng đa lớp
TiN/CrN [14], TiAlN/CrN [15]… nhằm kết hợp các đặc tính tốt của mỗi màng đơn
lớp cũng được nghiên cứu phát triển đồng thời. Để tạo ra các loại màng phủ này,
các phương pháp như: lắng đọng pha hơi vật lý (PVD), lắng đọng pha hơi hóa học
(CVD) và phương pháp hóa lý… đã được sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp PVD
được sử dụng phổ biến hơn cả vì đây là phương pháp cho hiệu suất cao, khả năng
bám dính tốt, mật độ màng cao và có thể phủ lên các chi tiết có kích thước lớn.
Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo màng phủ cứng nitrua đã thu hút được sự
quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu cả về công nghệ chế tạo lẫn ứng dụng trong
một số cơ sở nghiên cứu như: Trường đại học Bách khoa Hà Nội, Trường đại học
Khoa học tự nhiên, ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, Viện nghiên cứu Cơ khí…
Các nghiên cứu này tập trung nghiên cứu chế tạo màng đơn lớp đơn nguyên tố như:
TiN, CrN…[16-17] hoặc màng đa lớp đơn nguyên tố như: TiN/TiCN [18], TiN/CrN
[19]… Có thể thấy rằng, hầu hết các nghiên cứu ở Việt Nam mới chỉ tập trung
nghiên cứu màng nitrua đơn nguyên tố (sử dụng các bia phún xạ có sẵn trên thị
trường), chưa chế tạo được màng nitrua đa nguyên tố, do không thể tự chế tạo được
bia phún xạ nhiều thành phần. Vì chỉ chế tạo màng nitrua đơn nguyên tố, nên phạm
vi ứng dụng của các nghiên cứu này rất hạn chế.
Từ năm 2013 đến nay, Viện Khoa học vật liệu kết hợp với Viện Công nghệ
Công nghiệp Hàn Quốc (Korea Institute of Industrial Technology - KITECH) đã
triển khai một số nghiên cứu chung về chế tạo các loại màng phủ nitrua đa nguyên


2
tố trên nền hợp kim WC-Co. Trong đó bao gồm cả việc nghiên cứu chế tạo bia phún
xạ đa nguyên tố, làm cơ sở cho việc nghiên cứu màng nitrua đa nguyên tố.
Dựa vào các vấn đề đã trình bày ở trên, với mong muốn tạo ra các loại màng
phủ cứng nitrua có độ cứng cao và hệ số ma sát thấp cũng như mở rộng khả năng


indentor, độ bền bám dính được xác định bằng phương pháp rạch (Scratch), cấu trúc


3
pha được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, hình thái học được xác định
trên kính hiển vi điển tử quét (SEM), độ mấp mô bề mặt được xác định trên kính
hiển vi nguyên tử lực (AFM)…
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Về mặt khoa học, luận án đã đóng góp vào hướng nghiên cứu chế tạo màng
phủ cứng nitrua bằng phương pháp phún xạ magnetron và gợi mở những định
hướng mới trong chế tạo các loại màng phủ cứng và siêu cứng.
Về mặt thực tiễn, kết quả của luận án làm cơ sở cho việc phát tiển công nghệ
chế tạo màng phủ cứng, tiến tới ứng dụng làm dụng cụ cắt gọt kim loại và bảo vệ bề
mặt các chi tiết máy tại Việt Nam.
Bố cục của luận án
- Luận án có 120 trang với 11 bảng số liệu và 97 hình. Ngoài phần mở đầu,
kết luận và tài liệu tham khảo, luận án được chia thành các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về màng phủ nitrua
Chương 2: Chuẩn bị mẫu và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Chế tạo màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN (X: Si, B, V)
Chương 4: Chế tạo màng phủ đa lớp TiAlXN/CrN (X: Si, B)
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 một chiều.
- 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.

Tuy nhiên, rất nhiều các nghiên cứu đã cho thấy nhược điểm của màng phủ TiN là
khả năng chống ôxi hóa thấp, nên màng phủ này thường được ứng dụng trong phạm
vi nhiệt độ làm việc dưới 450 oC [3,21]. Để cải thiện những nhược điểm của màng
phủ này, các nhà nghiên cứu đưa ra ý tưởng về màng phủ đơn lớp đa nguyên tố
bằng việc đưa thêm nguyên tố Al vào màng phủ TiN để hình thành màng phủ mới
TiAlN bằng phương pháp PVD [22].
Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật và những đòi hỏi ngày
càng cao từ công nghiệp, các nhà nghiên cứu tiếp tục đưa thêm nguyên tố thứ 3
như: Si, Cr, B, V, … vào màng TiAlN để tạo ra các loại màng mới như: TiAlSiN
[23], TiAlBN [24], TiAlCrN [25] … nhằm cải thiện các tính chất của màng phủ hơn


5
nữa. Thêm vào đó, với ý tưởng tạo ra một loại màng phủ mới từ những màng phủ
đơn lớp để kết hợp những đặc tính tốt nhất của mỗi loại màng đơn lớp, màng phủ đa
lớp như: TiN/CrN, TiAlN/CrN, Ti/TiC/TiN… đã được nghiên cứu chế tạo [26-28].
Với sự ra đời của các loại màng phủ mới này, tính chất của màng phủ được cải thiện
đáng kể về độ cứng, khả năng chống mài mòn, ăn mòn, và đặc biệt là khả năng
chống ôxi hóa… Sơ đồ dưới đây sẽ cho thấy rõ hơn về lịch sử phát triển của các
loại màng (Hình 1.1).

Hình 1.1. Lịch sử phát triển các loại màng phủ [5].
1.1.2. Phân loại màng phủ
Tùy theo tính chất của vật liệu, các màng phủ được phân loại theo ba kiểu
như sau:
 Dựa vào cấu trúc và bản chất vật liệu, màng phủ được phân ra thành các
nhóm chính gồm:
-

Màng phủ nitrua: là loại màng phủ được hình thành nhờ quá trình nitrua hóa các

Mở đầu cho nghiên cứu về màng đơn lớp là việc chế tạo màng TiN. Tuy nhiên,
màng TiN có một số hạn chế như độ cứng thấp, và dễ bị ô xi hóa ở nhiệt độ cao
(>450 oC). Để cải thiện những hạn chế này của màng, đã có nhiều công trình nghiên
cứu được thực hiện để nâng cao các tính chất của màng phủ trong những thập kỷ
qua. Trong đó đã tập trung nghiên cứu màng nitrua TiAlN, TiAlXN (X: Si, B, Cr,
V…).
Màng TiAlN
Trong nghiên cứu của Yoon và các cộng sự [29] đã so sánh các tính chất cơ
giữa màng phủ TiN và màng phủ TiAlN được chế tạo bằng phương pháp mạ ion hồ
quang (AIP-Arc Ion Plating) trên nền thép SKD11. Kết quả chỉ ra màng TiAlN có
khả năng chống ô xi hóa tốt hơn và độ cứng (3200 ± 100 kg/mm2) cao hơn so với
màng TiN (2300 ± 100 kg/mm2). Tuy nhiên, trái ngược với độ cứng, màng TiN có
hệ số ma sát thấp hơn so với màng TiAlN. Nghiên cứu của Hui và các công sự [30]
đã cho thấy sự vượt trội về các tính chất (độ cứng, khả năng chống mài mòn…) của


7
màng phủ TiAlN so với TiN trên nền hợp kim AZ91. Cụ thể, màng TiN có độ cứng
(1083 HV) gấp hai lần so với độ cứng của hợp kim AZ91(536 HV). Khi đưa thêm
thành phần Al vào để tạo thành màng TiAlN, độ cứng của màng tăng lên đến 1340
HV. Ngoài ra, đo độ mài mòn của màng TiN và TiAlN dưới cùng một điều kiện (tải
5N, thời gian 15 phút) cho thấy, màng TiAlN có lượng mài mòn là nhỏ hơn.
Màng TiAlXN (X: Si, B, V, Cr)
Để tiếp tục cải thiện các tính chất của màng phủ, đáp ứng các yêu cầu của
ngành công nghiệp, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm mục đích tăng độ
cứng và giảm hệ số ma sát bằng việc đưa thêm nguyên tố thứ 3 vào hệ hợp kim
TiAl như: Vanadi (V), Silic (Si), Bo (B), Crôm (Cr), … Jung và nhóm nghiên cứu
[31] đã tiến hành chế tạo màng TiAlN và TiAlN-X (X: Si, B, Cr) bằng phương pháp
phún xạ magnetron một chiều. Kết quả cho thấy, việc đưa thêm nguyên tố thứ 3 vào
để tạo màng TiAlN-X đã cải thiện được độ cứng và giảm hệ số ma sát. Khi nguyên


Độ cứng

Modul đàn

dịch (V)

hạt (nm)

(nm)

(GPa)

hồi (GPa)

DCMS-1

-60

14,1±1,6

18,4±1,3

22,82±1,23

307,29±5,34

HiPIMS2

-60


567,22±8,67

HiPIMS5

-150

7,4±0,4

7,4±1,6

40,76±4,18

545,52±9,67

Mẫu

Khi đưa thêm nguyên tố B vào hệ hợp kim, Rebholz và nhóm nghiên cứu [35]
đã tiến hành chế tạo màng TiAlBN bằng phương pháp phún xạ trong môi trường
hỗn hợp khí Ar/N2 sử dụng hai bia phún xạ TiAl và TiB2 với nhiệt độ đế phún xạ
150oC. Kết quả cho thấy, độ cứng của màng TiAlBN và môdul đàn hồi lần lượt là
25 GPa và 250 GPa, hệ số ma sát của màng nằm trong khoảng 0,5 – 0,7 với cặp ma
sát sử dụng là bi hợp kim cứng WC-6Co.
Trong nghiên cứu khác cũng của Rebholz [24] đã thực hiện chế tạo màng
TiAlBN bằng phương pháp bốc bay chùm điện tử đôi trên nền thép không gỉ AISI
316 và đế Si. Bia hợp kim TiAlBN được sử dụng cùng với đế mẫu được gia nhiệt
đến 450oC. Kết quả thu được độ cứng của màng đạt 40 GPa, giá trị môdul đàn hồi
340 GPa, và kích thước hạt trung bình của màng khoảng 5 - 6 nm. Park và nhóm
nghiên cứu [36] đã chế tạo màng TiAlBN bằng phương pháp phún xạ phản ứng
trong môi trường hỗn hợp khí Ar - 40% N2. Hai bia phún xạ là Ti0,5Al0,5 và BN


10
bằng phương pháp phún xạ magnetron công nghiệp, sử dụng hai bia TiAl và bia V.
Tillmamn và các đồng nghiệp [41] đã chỉ ra độ cứng của màng phủ tăng từ 29,18 ±
6,65 GPa tại điện thế hiệu dịch là − 50 V đến 43,28 ± 4,43 GPa tại điện thế hiệu
dịch − 150 V. Còn hệ số ma sát tăng từ 0,43 đến 0,57 khi điện thế hiệu dịch tăng từ
-50V đến -150V. Bằng phương pháp PVD hồ quang công nghiệp, Tillmamn [42] đã
chế tạo màng TiAlVN trên nền thép gió với mẫu đế được gia nhiệt đến 650 oC, tỉ lệ
khí N2:H2 = 1:3, thời gian nitrua hóa là 8h. Kết quả cho thấy độ cứng của màng đạt
được trong khoảng 40-50 GPa, cao hơn so với màng phủ TiAlN 118% đã chế tạo
được trong nghiên cứu [43]. Còn giá trị hệ số ma sát đo tại nhiệt độ 500 oC có giá trị
thấp hơn so với khi đo tại nhiệt phòng.

Hình 1.4. Ảnh hưởng của điện thế hiệu
dịch đến độ cứng và modul đàn hồi của
màng TiAlVN [39].

Hình 1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng V
đến độ cứng và modul đàn hồi của màng
TiAlVN[40].

Bằng phương pháp phún tăng cường plasma (plasma enhanced magnetron
sputtering- PEMS) trong hỗn hợp khí trộn Ar/N2, El-Rahman [44] đã tiến hành chế
tạo màng TiAlVN và khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các tính chất của
màng này. Kết quả cho thấy độ cứng của màng giảm khi nhiệt độ nung tăng, độ
cứng của màng là 2980 ± 80 HV0.3 tại nhiệt độ phòng, (Kgf/mm2) và giảm xuống
1030 ± 30 HV0,3 tại 900oC. Trong khi đó, hệ số ma sát của màng với mẫu chưa xử
lý nhiệt là 0,36 và giảm xuống còn 0,27 tại 600 oC (Hình 1.6).



Hình 1.7. Ảnh hưởng của hàm lượng Si đến độ cứng và modul đàn hồi của
màng TiAlSiN [46].
Trong nghiên cứu cấu trúc và cơ tính của màng TiAlSiN với hàm lượng Si từ
4,1 đến 23,9% (khối lượng nguyên tử) bằng phương pháp hỗ trợ chùm điện tử,
Kang và các cộng sự [48] đã thu được độ cứng cực đại 40,9 GPa, độ bền bám dính
67 N, và hệ số ma sát thấp nhất (~0,5) tại hàm lượng 9% Si. Đối với nguyên tố
Vanadi (V), Pfeiler và các công sự việc sử dụng bia phún xạ có thành phần hóa học
là Ti16,5Al67V16,5 [40] và Ti33-xAl67 Vx (x: 0-25%) [39]. Trong khi đó El-Rahman
[44] lại sử dụng bia có thành phần hóa học Ti-6Al-4V để nghiên cứu chế tạo màng
TiAlVN.
Như vậy, việc lựa chọn thành phần hóa học của màng phụ thuộc vào phương
pháp chế tạo và các thông số công nghệ chế tạo màng. Trong luận án này, thành
phần hóa học của màng đã được kế thừa các kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả
Jung [31] tại Viện KITECH, Hàn Quốc. Trong phần tiếp theo sẽ giới thiệu một số
các nghiên cứu về màng đa lớp đã được thực hiện trong những năm qua.
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.