[發明專利]一種用團簇固溶模型穩定N的高硬度Cu合金薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201610005232.5
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105648402B
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發明（設計）人: 李曉娜;鄭月紅;董闖
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C23C14/14
• 分類號: C23C14/14;C23C14/16;C23C14/35;C23C14/58;C22C9/06
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 花向陽

一種用團簇固溶模型穩定N的高硬度Cu合金薄膜及其制備方法，屬新材料技術領域。在含N氣氛中濺射薄膜，將一定團簇比例的(Ni,Nb)添加到Cu中以穩定N，調節合金元素的比例，可控制固定的N含量，使Cu合金薄膜中Nb/Ni原子百分比為0.5/12～2/12，Nb、Ni與N的原子百分比總含量為2～6％，進而調節薄膜的硬度和電阻率。該Cu合金薄膜有如下特點：1、Cu薄膜中添加團簇比例的合金元素以穩定N，在保證硬度的同時兼顧較低電阻率；2、可通過調節團簇中合金元素的比例，控制最終穩定的N含量，進而調節Cu合金薄膜的硬度和電阻率。具有高硬度的Cu合金薄膜適宜用在Cu及其合金的表面。

技術領域

本發明涉及一種用團簇固溶模型穩定N的高硬度Cu合金薄膜及其制備方法，屬新材料技術領域。

背景技術

Cu具有良好的導電導熱性能，是應用最為廣泛的材料之一。但毋庸置疑的是純Cu硬度較低，塊體大晶粒時其硬度僅為0.65GPa，因此該材料不能在強度要求高的條件下服役。提高Cu硬度首先可以引入其他的合金元素，但會犧牲其低電阻率。尤其是大多數用于提高Cu硬度的合金元素，在Cu中的室溫固溶度都很小或不存在，固溶度見“趙杰.材料科學基礎[M].大連理工大學大學出版社,2010.”中介紹，因此這類強化元素的添加量通常為1wt.％左右，對硬度的提高不明顯；若大量添加這類元素，例如Cr，采用傳統的熔煉方法制備合金時，根本無法固溶或彌散分布在Cu中，而是以團狀聚集的狀態存在，這樣會導致合金致硬度的不均勻，同時大大提高其電阻率?；诖?，提高Cu硬度的同時兼顧其導電性能，最好的方法還是進行Cu的表面改善。

參照其他合金體系，如Fe基材料，可采用表面滲氮的方法提高表面硬度，但是銅氮化合物本身的分解溫度介于100～470℃之間，所以在普通的滲氮工藝中(滲氮溫度480～550℃)，很難使N在Cu中穩定存在，因此直接滲氮的方法提高Cu的硬度是不可行的。

基于上述原因，如果利用成分設計原理選擇合適的合金元素，將氮固定在Cu中且均勻分布，就可以實現提高其表面硬度的同時對芯部的導電性能不產生影響。前期研究中我們發現，基于穩定固溶體團簇模型設計的Cu-Ni-M(M＝Cr、Mo、Nb和Cr+Fe等)合金，在改變M/Ni比例的前提下，可以實現合金元素穩定固溶或彌散析出的有效控制，所以采用團簇比例的添加方法，通過Ni的作用可將難溶于Cu的合金元素均勻分布在Cu中。進一步如果合理選擇第三組元M，如Nb與N有強負混合焓(-174kJ/mol)，就可以借助團簇將N彌散均勻分布于Cu中穩定存在。因此本專利旨在利用Nb與N相對較大的負混合焓以及Ni的作用，將N穩定在Cu中，從而得到硬度較高的含氮Cu合金薄膜，可用于Cu及其合金的表面。

發明內容

本發明針對提高Cu硬度的同時兼顧其低電阻率。采用磁控濺射的方法在含N的氣氛中制備一種高硬度的Cu-(Ni,Nb)-N薄膜，其中Nb與Ni是按照團簇比例添加，旨在通過Nb與N較大的負混合焓，使N穩定存在于Cu中，同時Ni與Cu可以無限互溶，且與Nb有較大的負混合焓，這樣通過Ni的作用形成穩定的Cu-(Ni,Nb)-N體系，進而提高Cu的硬度。同時通過調節Nb/Ni的比例，可以控制固定的N含量，調節薄膜的硬度和電阻率?？傊景l明旨在制備一種用固溶體團簇模型穩定N的高硬度Cu合金薄膜，在提高硬度的同時兼顧其低電阻率。

本發明采用的技術方案是：一種用團簇固溶模型穩定N的高硬度Cu合金薄膜中Nb/Ni原子百分比為0.5/12～2/12，Nb、Ni與N的原子百分比總含量為2～6％。

所述的一種用團簇固溶模型穩定N的高硬度Cu合金薄膜的制備方法，采用下列步驟：

(1)采用真空熔煉和銅模吸鑄的方法將不同比例的Ni、Nb制成直徑為2.9～3.1mm的母合金棒，切成厚為0.9～1.1mm的小片；

(2)將步驟(1)中的小片粘貼在純銅靶的主濺射區域內，將清洗后的基片放入樣品臺，調整靶基距為9～10cm；