離子注入劑量對鎂合金表面鈦膜的性能影響

簡國軍 張法光 李 粉 竇忠宇

（1.安順學院電子與信息工程學院，貴州 安順 561000；2.貴州省機電研究設計院，貴州 貴陽 550003）

0 引言

鎂和鎂合金具有密度小、抗沖擊載荷能力好、易于切削加工等特點，廣泛應用于汽車工業(yè)、3C電子工業(yè)及航空航天工業(yè)等領域［1］。鎂合金AZ91具有良好的鑄造性能與最高的屈服強度，可用于制造任何形式的部件并得到廣泛應用，但其摩擦耐蝕性能較差。因此通常需要對鎂合金鑄件進行特殊的表面處理，才能保證其優(yōu)異的服役性。表面處理技術的方法有噴涂表面、表面改性、復合表面、表面熱處理等手段，常用的方法有噴丸、電鍍、陽極氧化、微弧氧化、離子鍍、離子注入、激光表面處理等方法［2］。王成龍等［3］提出采用真空多弧離子鍍膜技術對鎂及鎂合金的表面進行防護，結果顯示制備的多層膜擁有良好的摩擦耐蝕性能。林波等［4］采用單離子注入和雙離子注入的方法對AZ91鎂合金進行試驗，發(fā)現經不同離子注入后試樣表面形成了AlN、Cr和CrN等新的物相，試樣的腐蝕電位較基體和試樣顯微硬度都有所提高。陶學偉等［5］通過注入Ti、N、Cr、Al離子發(fā)現，Ti、N單離子注入后鎂合金表面硬度提高最為明顯。任志華等［6］利用等離子輔助化學氣相沉積法在硬質合金刀具上沉積了TiN薄膜，這種薄膜有效提高了刀具的抗磨損性能。Jin等［7］通過自注入的方式將Nd引入WE43鎂合金，在其表面形成包含有Nd2O3和MgO的梯度改性層，有效減小了鎂合金基體的降解速率。采用離子鍍膜和離子注入的復合工藝在鎂合金表面制備高性能的Ti/TiN復合納米涂層，研究N離子注入劑量對Ti膜表面性能的影響，提供一種高性能復合涂層制備方法。

1 試驗

本研究采用的基底材料為鎂合金AC91，使用線切割機切割成15 mm×15 mm×5 mm的試樣，依次使用1 000#、1 500#和2 000#的水磨砂紙打磨，進行拋光處理，在無水乙醇中使用超聲波清洗10 min后冷風吹干。磁控濺射鍍鈦采用多功能離子鍍膜機進行，試驗條件如下：真空度3×10-3Pa，濺射功率150 W，鍍膜時間120 min，鍍膜前進行離子清洗1 min。采用多功能離子注入與沉積設備進行N離子注入，試驗參數如表1所示。

表1 試驗參數

使用臺階儀測量了鎂合金表面Ti膜的厚度，采用顯微維氏硬度計（HV-1000）對3個試樣進行維氏硬度測量，求取5個點的測量平均值，測量載荷為HV0.025，保載時間為10 s。使用UMT-2摩擦磨損試驗機對試樣的摩擦磨損性能進行測試，轉速100 r/min，摩擦半徑12 mm，時間20 min，使用直徑為6 mm的Al2O3球進行干摩擦。在摩擦試驗前后使用精度為0.000 1 g的電子天平進行稱量，用失重法來評價不同處理試樣的耐磨損性能。采用TSCAN的掃描電鏡對試樣表面及磨痕形貌進行了觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 涂層厚度與表面形貌

鎂合金鍍鈦層的厚度測量與表面形貌如圖1所示。從圖1中可以看到，采用磁控濺射方法制備的鎂合金表面鈦膜厚度為713 nm。從鈦層的表面形貌可以看到磁控濺射的膜層連續(xù)完整，拋光后的痕跡由于鈦膜較薄清晰可見，同時表面有融液形成的顆粒存在，增加了試樣表面的粗糙度。

圖1 鎂合金鍍鈦層厚度與表面形貌

2.2 表面顯微硬度

顯微硬度是材料表面的重要性能，反映材料抵抗局部彈塑性變形的能力，是對材料表面性能的綜合量度［8］，其與摩擦性能密切相關。3個樣品的維氏硬度測量結果見表2，3#試樣維氏硬度測量結果見表3。根據硬度測試結果可知，相較于鍍鈦的樣品，經過離子注入后表面的硬度顯著提高。2#試樣的顯微硬度提升了14.05%，3#試樣的顯微硬度提升了31.41%。表面顯微硬度的提升說明表面形成了較硬的涂層結構，說明經過N離子注入后Ti層中有TiN的生成，Savaloni等［9］采用離子注入鈦箔中發(fā)現有TiN的出現說明了這一點。離子注入的劑量達到一定值后會產生明顯的晶粒細化，導致晶界數量增加，造成強化效果，提高了材料的硬度［10］。通過對磁控濺射鍍鈦層進行離子注入是有效的方法，可以提升鍍鈦層的力學性能。

表2 維氏顯微硬度測量結果與分析表

2.3 摩擦磨損性能

使用摩擦磨損試驗機完成摩擦試驗后得到20 min的平均摩擦系數μ，再通過電子天平測量得到試樣的磨損失重，如圖3所示。表面鍍鈦的試樣平均摩擦系數為0.503，較低的N離子注入劑量下摩擦系數下降到0.395，注入劑量進一步提高后摩擦系數為0.299。由此可知，隨著注入劑量的提高，鎂合金表面鈦膜的摩擦性能得到提高。這是由于表面TiN的出現，摩擦磨損性能強烈依賴于材料表面的硬度、強度等物理性能［11］，表面顯微硬度的提高降低了摩擦系數，磨損失重的數據也說明了這一點。相較于未注入試樣，在注入劑量為5×1017icon/cm2時，磨損量為未處理時的三分之一，表面膜層中TiN含量的增加進一步降低了摩擦系數，提高了復合涂層的耐磨損性能。

圖2 3#試樣維氏硬度測量結果

圖3 試樣的平均摩擦系數和磨損失重量

3個不同試樣的磨痕形貌如圖4所示。由圖4可知，鍍鈦試樣表面磨損情況較嚴重，出現了大塊的涂層剝離，有明顯的磨粒和黏著磨損痕跡；經過離子注入之后的樣品磨損程度明顯減輕，表面完整度得到提高，磨粒磨損和黏著磨損的程度大幅改善；在較高的離子注入劑量下耐磨性能進一步提高，表面的完整度提高。磨損性能的改善是由于表面Ti/TiN復合涂層的影響，離子注入后表面硬度提高，晶粒細化降低了膜層的表面粗糙度。磨損性能的提高與摩擦系數的表現是一致的。

圖4 不同試樣的磨痕形貌

3 結論

采用磁控濺射和離子注入的方法在鎂合金表面制備了Ti/TiN復合涂層，研究了涂層表面的力學和摩擦磨損性能，得到以下結論。

①離子注入后鎂合金表面Ti膜的顯微硬度增大，隨注入劑量的增加而增加，這是由于TiN相的出現，表面形成了Ti/TiN復合涂層，晶粒細化也造成了強化效果。

②通過N離子處理后鎂合金表面的Ti/TiN復合涂層摩擦系數降低，耐磨損性能得到提高。隨著注入劑量的提高，摩擦磨損性能進一步提高，這是由于硬度提高和表面粗糙度降低而產生的效果。