[发明专利]一种用团簇固溶模型稳定N的高硬度Cu合金薄膜及其制备方法

说明书

一种用团簇固溶模型稳定N的高硬度Cu合金薄膜及其制备方法，属新材料技术领域。在含N气氛中溅射薄膜，将一定团簇比例的(Ni,Nb)添加到Cu中以稳定N，调节合金元素的比例，可控制固定的N含量，使Cu合金薄膜中Nb/Ni原子百分比为0.5/12～2/12，Nb、Ni与N的原子百分比总含量为2～6％，进而调节薄膜的硬度和电阻率。该Cu合金薄膜有如下特点：1、Cu薄膜中添加团簇比例的合金元素以稳定N，在保证硬度的同时兼顾较低电阻率；2、可通过调节团簇中合金元素的比例，控制最终稳定的N含量，进而调节Cu合金薄膜的硬度和电阻率。具有高硬度的Cu合金薄膜适宜用在Cu及其合金的表面。

技术领域

本发明涉及一种用团簇固溶模型稳定N的高硬度Cu合金薄膜及其制备方法，属新材料技术领域。

背景技术

Cu具有良好的导电导热性能，是应用最为广泛的材料之一。但毋庸置疑的是纯Cu硬度较低，块体大晶粒时其硬度仅为0.65GPa，因此该材料不能在强度要求高的条件下服役。提高Cu硬度首先可以引入其他的合金元素，但会牺牲其低电阻率。尤其是大多数用于提高Cu硬度的合金元素，在Cu中的室温固溶度都很小或不存在，固溶度见“赵杰.材料科学基础[M].大连理工大学大学出版社,2010.”中介绍，因此这类强化元素的添加量通常为1wt.％左右，对硬度的提高不明显；若大量添加这类元素，例如Cr，采用传统的熔炼方法制备合金时，根本无法固溶或弥散分布在Cu中，而是以团状聚集的状态存在，这样会导致合金致硬度的不均匀，同时大大提高其电阻率。基于此，提高Cu硬度的同时兼顾其导电性能，最好的方法还是进行Cu的表面改善。

参照其他合金体系，如Fe基材料，可采用表面渗氮的方法提高表面硬度，但是铜氮化合物本身的分解温度介于100～470℃之间，所以在普通的渗氮工艺中(渗氮温度480～550℃)，很难使N在Cu中稳定存在，因此直接渗氮的方法提高Cu的硬度是不可行的。

基于上述原因，如果利用成分设计原理选择合适的合金元素，将氮固定在Cu中且均匀分布，就可以实现提高其表面硬度的同时对芯部的导电性能不产生影响。前期研究中我们发现，基于稳定固溶体团簇模型设计的Cu-Ni-M(M＝Cr、Mo、Nb和Cr+Fe等)合金，在改变M/Ni比例的前提下，可以实现合金元素稳定固溶或弥散析出的有效控制，所以采用团簇比例的添加方法，通过Ni的作用可将难溶于Cu的合金元素均匀分布在Cu中。进一步如果合理选择第三组元M，如Nb与N有强负混合焓(-174kJ/mol)，就可以借助团簇将N弥散均匀分布于Cu中稳定存在。因此本专利旨在利用Nb与N相对较大的负混合焓以及Ni的作用，将N稳定在Cu中，从而得到硬度较高的含氮Cu合金薄膜，可用于Cu及其合金的表面。

发明内容

本发明针对提高Cu硬度的同时兼顾其低电阻率。采用磁控溅射的方法在含N的气氛中制备一种高硬度的Cu-(Ni,Nb)-N薄膜，其中Nb与Ni是按照团簇比例添加，旨在通过Nb与N较大的负混合焓，使N稳定存在于Cu中，同时Ni与Cu可以无限互溶，且与Nb有较大的负混合焓，这样通过Ni的作用形成稳定的Cu-(Ni,Nb)-N体系，进而提高Cu的硬度。同时通过调节Nb/Ni的比例，可以控制固定的N含量，调节薄膜的硬度和电阻率。总之本发明旨在制备一种用固溶体团簇模型稳定N的高硬度Cu合金薄膜，在提高硬度的同时兼顾其低电阻率。

本发明采用的技术方案是：一种用团簇固溶模型稳定N的高硬度Cu合金薄膜中Nb/Ni原子百分比为0.5/12～2/12，Nb、Ni与N的原子百分比总含量为2～6％。

所述的一种用团簇固溶模型稳定N的高硬度Cu合金薄膜的制备方法，采用下列步骤：

(1)采用真空熔炼和铜模吸铸的方法将不同比例的Ni、Nb制成直径为2.9～3.1mm的母合金棒，切成厚为0.9～1.1mm的小片；

(2)将步骤(1)中的小片粘贴在纯铜靶的主溅射区域内，将清洗后的基片放入样品台，调整靶基距为9～10cm；