氮氣流量對高功率脈沖磁控濺射CrNx/CrC復合鍍層耐蝕性能的影響

向 君，曹悅悅，梅屹峰 ，王卓然

(1.西安理工大學，陜西 西安 710054)(2.西安理工大學材料學院，陜西 西安 710054)

1 前 言

氮化鉻(CrNx)鍍層具有高硬度、優(yōu)異的耐磨性、抗氧化性以及較高的耐蝕性能[1, 2]，同時還具有化學穩(wěn)定性高、與基底材料結合力強等優(yōu)點[3, 4]，常被用作精品鑄造、機加工和金屬成型產業(yè)中機械零部件的耐磨、耐腐蝕的保護層或裝飾膜。CrNx鍍層在制備時的Cr元素通常是以Cr原子的形式沉積的，不會有高污染物Cr6+生成，這就使得擁有多項優(yōu)異性能的CrNx鍍層成為替代Cr鍍層的最優(yōu)選擇。而CrNx鍍層良好的耐磨性和化學穩(wěn)定性也使其在核工業(yè)表面硬質材料中得到了應用[5]。

曹得莉等[6]利用直流磁控濺射技術，在氮氣和氬氣混合氣氛下在鎂鋰合金表面成功制備了CrNx薄膜，并發(fā)現(xiàn)氮氣流量對鍍層的耐蝕性能有一定的影響。李倩等[7]比較了直流磁控濺射和高功率脈沖磁控濺射(high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS)[8-12]兩種沉積技術制備的CrNx薄膜的結構和性能，發(fā)現(xiàn)HiPIMS沉積技術制備的CrNx薄膜顆粒尺寸小，結構更致密，且缺陷少、硬度高、耐蝕性能好，各項指標均優(yōu)于直流磁控濺射沉積的CrNx薄膜。近年來，國內外學者們也對CrNx及CrC等相關復合鍍層進行了成分和結構方面的研究，以改善其摩擦磨損性能及耐蝕性能[13-16]。

本文通過改變氮氣流量，利用HiPIMS制備出CrNx/CrC復合鍍層，分別利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、電化學工作站等對該復合鍍層進行分析表征，研究氮氣流量對CrNx/CrC復合鍍層微觀結構和耐蝕性能的影響。

2 實 驗

2.1 復合鍍層的制備

為滿足性能檢測，基底材料分別采用單晶硅片和單面拋光的304不銹鋼片(用于耐蝕性能分析)。鍍膜材料包括純度為99%的鉻靶和碳靶，以及純度為99.99%的高純氬氣和高純氮氣。為了保證鍍層質量，在鍍膜之前需要對基底材料，即單晶硅片和單面拋光的304不銹鋼片進行機械拋光處理和超聲波清洗。

利用深圳浩穰環(huán)?？萍加邢薰镜腍iPIMS沉積系統(tǒng)制備CrNx/CrC復合鍍層。鉻靶和碳靶均采用平面矩形，長725 mm、寬145 mm(刻蝕環(huán)面積為600 cm2)。其中鉻靶使用HiPIMS電源進行濺射，而碳靶使用直流電源進行濺射。沉積過程中，鉻靶的HiPIMS放電參數(shù)為：平均電流14 A，頻率200 Hz，占空比6%，此時靶材放電的峰值電流密度為0.3 A·cm-2，其放電狀態(tài)介于氣體放電伏安特性曲線的異常輝光放電和弧光放電狀態(tài)之間；碳靶的直流放電參數(shù)為電流9 A。

復合鍍層的制備過程主要分為以下階段：① 抽真空及升溫階段；② 離子轟擊清洗階段；③ 鍍層沉積階段。本實驗的變量參數(shù)為氮氣流量，表1為復合鍍層沉積的工藝參數(shù)。

表1 復合鍍層沉積的工藝參數(shù)

2.2 表征與分析

采用Phenom Pro掃描電子顯微鏡對單晶硅片上沉積的CrNx/CrC復合鍍層樣品進行表面與截面微觀形貌觀察。利用XRD-700型X射線衍射儀對單晶硅片上沉積的CrNx/CrC復合鍍層樣品進行物相結構的分析。采用Zahner電化學工作站測試樣品的極化曲線，實驗所用鹽水為質量分數(shù)為3.5%的工業(yè)氯化鈉溶液，再利用電化學工作站自帶的Thales XT軟件對極化曲線進行Tafel擬合，最后得到腐蝕速率、腐蝕電流和腐蝕電位的具體數(shù)值。

3 結果與討論

3.1 CrNx/CrC復合鍍層的微觀形貌觀察

圖1為不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的表面形貌。由圖1可知，在不同的氮氣流量下，鍍層的表面均呈不規(guī)則的球形團聚狀，且每個球形團聚都由更為細小的球形顆粒堆積組成，這些球形顆粒尺寸均勻，堆積緊密。在高功率脈沖條件下，由于瞬時的氣體放電強度大于傳統(tǒng)濺射的直流或中頻環(huán)境，且脈沖放電存在間歇性特點，基片的升溫現(xiàn)象得到了有效控制，沉積粒子到達基片表面時受到過冷度的影響，其擴散能力大為受限，降低了臨界形核自由能和臨界核心半徑，有利于鍍層結構的顆粒細化。但同時也會造成復合鍍層表面粗糙度大，且鍍層存在結構缺陷的情況。

圖1 不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的表面形貌：(a)20 mL·min-1,(b)40 mL·min-1,(c)60 mL·min-1,(d)80 mL·min-1

圖2為不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的截面形貌。由圖2可以看出，這4種氮氣流量下制得的復合鍍層均呈柱狀生長，且呈現(xiàn)明顯的上下兩層結構，分別為CrC層和CrNx層。從圖2a和2b中可以看出，當?shù)獨饬髁枯^小(20和40 mL·min-1)時，鍍層中柱狀晶的柱狀結構較為明顯，且柱與柱的間距較大，而上下兩層鍍層的結合不緊密，在柱狀晶之間存在較大的結構缺陷，上層鍍層的直徑明顯大于下層鍍層。如圖2c所示，當?shù)獨饬髁吭黾拥?0 mL·min-1時，上層與下層鍍層之間結合緊密，無明顯缺陷。當?shù)獨饬髁坷^續(xù)增加到80 mL·min-1時(圖2d)，柱與柱之間的界限不太清晰，柱狀晶之間已無間距，且薄膜上下層結合緊密，鍍層在結構上已無明顯缺陷。通過柱與柱的間距分析鍍層致密度的變化，當間距變小則致密度增加。上述實驗現(xiàn)象表明，隨著氮氣流量增加，復合鍍層的致密度有所增加。

圖2 不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的截面形貌：(a)20 mL·min-1,(b)40 mL·min-1,(c)60 mL·min-1,(d)80 mL·min-1

通過測量截面尺寸，可以得到不同氮氣流量下CrNx/CrC復合鍍層的厚度，如表2所示。可以明顯看出，隨著氮氣流量增加到40 mL·min-1，薄膜厚度略有增加；而當?shù)獨饬髁坷^續(xù)增加到60和80 mL·min-1時，薄膜的厚度則急劇減少，相應的平均沉積速率也急劇降低。在高功率磁控濺射鍍膜過程中，薄膜的生長由靶材的濺射離化率和Ar+的刻蝕共同作用。隨著氮氣流量的升高，氮離子、沉積離子在內的所有離子的平均自由程減小，碰撞散射現(xiàn)象加劇，到達樣品表面的粒子數(shù)減少，從而薄膜的沉積速率下降。同時隨著氮氣流量升高，Ar+刻蝕作用也會減弱，而且當?shù)獨饬髁砍^一定數(shù)值時有很大幾率造成鉻靶中毒，導致CrNx/CrC復合鍍層的沉積速率隨著氮氣流量升高而急速下降。

表2 不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的厚度和平均沉積速率

3.2 CrNx/CrC復合鍍層的物相結構分析

圖3為不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的XRD圖譜。從圖中可以看出，所得的復合鍍層均以Cr7C3(421)為主衍射峰，衍射角為44.5°。在氮氣流量為20和40 mL·min-1時，復合鍍層還含有C3N4(200)衍射峰，衍射角為27.9°。這也表明了隨著氮氣流量的增加，CrNx/CrC復合鍍層中的N元素含量在減少。

圖3 不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的XRD圖譜

Cr7C3原子間的結合方式主要是Cr—C鍵,使鍍層具有很高的硬度和較好的韌性，同時該物質具有正交結構，能耐酸性、堿性腐蝕，相比于Cr23C6，Cr7C3的熔點更高、結構更加穩(wěn)定。Cr7C3鍍層具有優(yōu)異的摩擦系數(shù)特性、耐磨損性能和載荷承載能力，同時有很好的附著力和較高的硬度。經過純金屬層Cr打底、CrNx層過渡，再沉積Cr7C3層，所形成的多層結構的復合鍍層保證了鍍層低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的耐磨損性能和良好的壽命可靠性[17]。

3.3 CrNx/CrC復合鍍層的耐蝕性能分析

對不同氮氣流量條件下制得的CrNx/CrC復合鍍層進行電化學檢測，得到的極化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，不同氮氣流量下制得的各鍍層表現(xiàn)出的電化學性能差異較大。整體來看，當?shù)獨饬髁繛?0 mL·min-1時所得復合鍍層的極化曲線最靠右，表明其耐蝕性能相對表現(xiàn)最好。通過Thales XT軟件對極化曲線進行Tafel擬合分析，可以得出不同氮氣流量下復合鍍層的腐蝕電流、腐蝕電位以及腐蝕速率的數(shù)值，從而定量地分析鍍層的耐蝕性能，計算結果如表3所示。

圖4 不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的極化曲線

表3 不同氮氣流量下制得的CrNx/CrC復合鍍層的腐蝕參數(shù)

從表3可知，隨著氮氣流量的增加，腐蝕電位先升高后降低。當?shù)獨饬髁繛?0 mL·min-1時，鍍層的腐蝕電位最高，說明其耐蝕性能最好，并且其腐蝕速率最小，僅為0.000105 mm·year-1。根據(jù)金屬材料的腐蝕等級判定，腐蝕速率在0.001～0.010 mm·year-1的材料為很耐腐蝕材料，可見本實驗所得鍍層均有較好的耐蝕性能；而腐蝕速率<0.001 mm·year-1時，即為完全不腐蝕材料。材料的腐蝕電位越低，說明其活性越高，也就越容易被腐蝕。氮氣流量為20 mL·min-1時制得的復合鍍層，盡管其腐蝕速率也小，但相比氮氣流量為60 mL·min-1時制得的鍍層，其腐蝕電位更低，更容易被腐蝕；由此可知，氮氣流量為60 mL·min-1時制得的鍍層耐蝕性能最好。

影響耐蝕性能的因素很多，結合復合鍍層微觀形貌、物相結構，系統(tǒng)分析本實驗所制得的CrNx/CrC復合鍍層的耐蝕性能。從鍍層的微觀結構可知，當?shù)獨饬髁繛?0 mL·min-1時，鍍層的表面由不太規(guī)則的球形顆粒堆積組成，其大小均勻，堆積緊密；鍍層呈柱狀生長，且為明顯的上下兩層結構，上層與下層之間結合緊密，無明顯缺陷；生長方式為垂直于單晶硅襯底向外生長，晶粒直徑較大，與基體結合良好。氮氣流量為60 mL·min-1時制備的復合鍍層的缺陷、膜基結合力和致密度均優(yōu)于其他氮氣流量下制備的復合鍍層，從而使得氮氣流量為60 mL·min-1時制備的復合鍍層的耐蝕性能優(yōu)良。

從復合鍍層的物相結構可知，Cr7C3是一種耐酸性、堿性腐蝕的物質。而這兩種性質也是影響鍍層耐腐蝕性能的因素，這就使得氮氣流量為60 mL·min-1時，CrNx/CrC復合鍍層的耐蝕性能最優(yōu)。

4 結 論

(1)本實驗采用高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)沉積系統(tǒng)制備了CrNx/CrC復合鍍層，該復合鍍層的表面形貌呈不規(guī)則的球形顆粒堆積狀，均勻緊密。鍍層的截面呈柱狀生長形態(tài)，且復合鍍層中CrC層和CrNx層有較明顯的分層界面。

(2)受Ar+刻蝕作用減弱的影響，隨著氮氣流量的增加，CrNx/CrC復合鍍層的厚度和平均沉積速率先略微增加，之后再明顯減小。

(3)隨著氮氣流量的增加，CrNx/CrC復合鍍層的致密度有所增加。

(4)氮氣流量的增加對CrNx/CrC復合鍍層的物相結構影響不明顯，不同氮氣流量下制備的鍍層的主衍射峰均為Cr7C3。

(5)隨著氮氣流量增加，復合鍍層的耐蝕性能表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢。當?shù)獨饬髁繛?0 mL·min-1時，鍍層的晶柱之間的間距最小，且上下層界面結合最緊密，耐蝕性能最好。