雙陰極等離子沉積技術在TC4表面改性的應用

魯青　湯亮

摘? 要：提高鈦合金表面耐磨耐腐蝕性能是鈦合金表面改性的主要研究方向，雙陰極等離子濺射沉積技術具有沉積薄膜速度快，厚度容易控制等特點，在涂層制備方面被廣泛應用。文章介紹了雙陰極等離子濺射沉積技術的主要原理及特點，并綜述了最近幾年利用該技術制備涂層用于TC4表面改性方面的一些研究成果以及對未來研究方向做了一些展望。

關鍵詞：TC4表面改性;涂層;雙陰極等離子濺射

中圖分類號：TG337? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）07-0164-03

Abstract： Improving the wear resistance and corrosion resistance of titanium alloy surface is the main research of titanium alloy surface modification. The double cathode plasma sputtering deposition technology is widely used in coating preparation with the characteristics of fast deposition speed and easy control over thickness. This paper introduces the main principle and characteristics of the double cathode plasma sputtering deposition technology， and summarizes some research results in recent years and depicts for the future research prospects.

Keywords： TC4 surface modification; coating; double cathode plasma sputtering

引言

鈦合金具有密度低，比強度高，熱強度好，耐腐蝕性能好，材料具有良好的相容性等特點，廣泛應用于航空航天工業(yè)、船舶、化工、汽車、醫(yī)療、體育等領域。但當鈦合金用作零件副部件時，耐磨性的缺陷會影響其性能和使用壽命，同時鈦合金的高溫抗氧化能力差，耐腐蝕性能差，在含有Cl-、F-等鹵素元素的溶液中容易發(fā)生點腐蝕現(xiàn)象，這些因素同樣制約了鈦合金的發(fā)展應用。目前，關于鈦合金表面耐磨、耐腐蝕性能的改性是鈦合金表面改性的主要研究方向。本文基于雙陰極等離子濺射沉積技術，對近幾年有關學者利用該技術在TC4表面改性方面所做的研究進行了一些歸納總結(jié)。

1 雙陰極等離子濺射沉積技術

1.1 TC4鈦合金表面改性方法

關于鈦合金表面改性技術有很多種，常見的包括電鍍、化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、激光表面處理、離子注入法、表面氮化技術、磁控濺射等多種技術[1]。

1.2 雙陰極等離子濺射沉積技術原理

雙陰極等離子濺射沉積技術是基于離子氮化技術發(fā)展而來，由我國徐重教授于1985年在美國取得專利。其工作原理是利用爐內(nèi)雙陰極與陽極之間的雙層輝光放電現(xiàn)象轟擊源極靶材，使靶材材料濺射出來，在工件表面經(jīng)沉積擴散過程形成與基體結(jié)合良好的具有特殊優(yōu)良性能的表面改性涂層，工作原理圖如圖1所示。

真空爐內(nèi)設有源極（靶材）和工件作為雙陰極，爐頂設有陽極，當爐內(nèi)抽真空至一定程度后通入惰性氣體并至一定工作氣壓，此時源極與陽極以及工件與陽極之間通入直流電源，產(chǎn)生輝光放點現(xiàn)象，使爐內(nèi)惰性氣體（Ar）電離成等離子狀態(tài)，不斷轟擊源極靶材和工件，工件在等離子轟擊下迅速被加熱至高溫，源極靶材在轟擊作用下濺射出的合金元素不斷奔向工件表面，經(jīng)沉積擴散過程形成一定厚度的涂層[2]。通過調(diào)節(jié)氣壓，源極電壓，工件電壓，極間距等工藝參數(shù)可以控制涂層的厚度以及質(zhì)量，從而制得滿意的涂層。

1.3 雙陰極等離子濺射沉積技術的特點

雙陰極等離子濺射沉積技術作為一門日漸成熟的技術，結(jié)合了低溫等離子表面冶金技術和傳統(tǒng)滲金屬技術，具有一系列優(yōu)良的特點[3]。

（1）欲滲金屬的選材范圍非常廣泛，不僅包括導電金屬材料，還可以沉積化合物、陶瓷薄膜材料。

（2）滲層組織可控性高，通過控制制備過程中源極電壓、工件電壓、氣壓、溫度、極間距等參數(shù)，可以對滲層組織成分、結(jié)構(gòu)、性能進行控制。

（3）沉積效率高。在雙層輝光放電過程中，由于空心陰極效應，大大提高了材料表面活化能，高能粒子的轟擊作用使工件表面產(chǎn)生高濃度的位錯密集區(qū)，為欲滲元素的沉積擴散創(chuàng)造了條件。

（4）基材選材范圍廣。普通鋼鐵材料，有色金屬，陶瓷材料均可作為基體。

（5）能耗小，成本低。工件通過高能粒子的轟擊可加熱至較高溫度，無需外加熱源，加工過程中靶材損耗小，材料利用率高。

（6）環(huán)保，無污染。

2 研究綜述

目前，利用雙陰極等離子濺射沉積技術已經(jīng)在TC4鈦合金表面制備出了許多性能優(yōu)異的涂層，本文著重介紹利用該技術在TC4上制備的TiN涂層，Nb2N涂層以及NbCN涂層的性能研究。

2.1 TiN涂層

吳利用雙陰極等離子濺射技術在TC4基體上成功制備出了TiN涂層，涂層外觀呈金黃色，制備過程中，通入的氮氣比例越高，涂層顏色越深。經(jīng)XRD檢測分析，涂層主要成分為TiN并含有少量的Ti2N，涂層的SEM形貌觀測顯示涂層均勻，致密，無明顯孔洞缺陷，涂層厚度約為10um，過度層厚度約為3um。涂層的力學性能及磨損性能分析顯示，涂層的臨界載荷達到81.75N，遠遠滿足工程要求，涂層與基體結(jié)合良好。在常溫下，TiN的摩擦系數(shù)約0.6，與TC4差異不大，但在高溫（500℃）下，TiN的摩擦系數(shù)能穩(wěn)定在0.6附近，遠低于TC4基體（1.0），表明涂層具有很好的高溫耐磨性。電化學性能顯示TiN涂層的自腐蝕電流密度遠低于TC4基體，表明涂層相對于基體具有更好的耐腐蝕性[4]。

2.2 Nb2N涂層

張采用雙陰極等離子技術制備的Nb2N涂層表面均勻致密，XRD測試結(jié)果與標準Nb2N圖譜吻合，表明涂層成分為Nb2N，涂層斷口的SEM分析顯示涂層厚度達到21um，EDS檢測表示涂層主要由Nb和N兩種原子組成，沒有其他雜質(zhì)成分。劃痕實驗測得的結(jié)果表明，涂層的臨界載荷達到78.2N，遠大于經(jīng)驗公式中的30N，滿足日常過程中的磨損;采用壓痕法測得涂層硬度達到1784.44HV，遠大于TC4鈦合金基體的平均硬度367.18HV;在電化學的測試中，在3.5wt.%NaCl溶液中，Nb2N涂層的腐蝕電流密度icroo相比于鈦合金基體低了大約一個數(shù)量級，阻抗譜顯示氮化鈮涂層的極限阻抗值與相位角均要高出TC4基體，涂層對基體的保護率高達92.57%，表明氮化鈮涂層具有很好的耐腐蝕性能[5]。

2.3 NbCN涂層

涂利用雙陰極等離子技術在TC4表面成功沉積出了NbCN涂層，涂層整體平整，光滑，無孔洞裂紋等缺陷和剝落跡象。涂層厚度約為14um，由約2um的過渡層和12um的沉積層組成。涂層的XRD分析表明，涂層晶相由Nb2CN和Nb2N組成，為面心立方結(jié)構(gòu)，在（200）晶面具有擇優(yōu)生長趨勢。使用維氏硬度計對涂層進行了斷裂韌性測試，表明涂層具有較高的韌性;使用納米壓入測試顯示涂層的硬度和彈性模量均高于TC4基體;通過劃痕儀的檢測得到涂層的臨界載荷為82.9N，表明涂層與基體結(jié)合良好，滿足摩擦工作環(huán)境的最低要求。涂層的磨損性能研究結(jié)果顯示涂層的摩擦系數(shù)在常溫下平均穩(wěn)定在0.25左右，高溫下穩(wěn)定在0.3附近，均低于TC4基體的摩擦系數(shù)，表明涂層具有良好的耐磨性能。電化學檢測顯示涂層的低頻阻抗達到107Ω·cm2，高出TC4基體兩個數(shù)量級，涂層的相位角也高出基體，證明NbCN涂層的耐腐蝕性能遠優(yōu)于TC4鈦合金基體[6]。

3 結(jié)束語

雙陰極等離子濺射沉積技術經(jīng)過30多年的研究和發(fā)展，目前利用該技術已經(jīng)成功地在碳鋼、鈦合金、銅合金表面制備了一系列高速鋼、高溫合金、陶瓷、金屬間化合物等表面合金涂層，其技術優(yōu)點明顯，制得的涂層質(zhì)量高，性能優(yōu)越，越來越受學術界的關注，相信在未來的發(fā)展中，利用該技術可以實現(xiàn)更為復雜的沉積方式，在材料的表面改性工程中得到更多的應用[7]。

參考文獻：

[1]萊茵斯.鈦與鈦合金[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003：151-156.

[2]徐重，范本惠，鄭維能，等.雙層輝光離子滲鈦[J].金屬熱處理，1986，5：13-20.

[3]高原，劉小平，賀志勇，等.雙層輝光離子滲鎢鋁層滲碳組織的電鏡分析[J].中國有色金屬學報，2000，10（1）：55-58.

[4]吳新蕾.雙陰極等離子沉積TiN涂層的工藝及性能研究[D].武漢工程大學，2016.

[5]張進中.雙陰極等離子濺射沉積Nb2N涂層及其性能研究[D].武漢工程大學，2018.

[6]涂高陽.TC4表面制備NbCN涂層的耐磨耐蝕性能的研究[D].武漢工程大學，2018.

[7]高原，徐晉勇，高清，等.雙層輝光離子滲金屬技術特點[J].中國工程科學，2008，10（2）：26-29.