调制周期对Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜性能的影响

　　采用真空阴极电弧沉积技术，在TC11 钛合金表面沉积同等厚度的三种不同调制周期Ti-TiN-Zr-ZrN 软硬交替多层膜。用扫描电镜、显微硬度计、结合力划痕仪和砂粒冲刷试验仪分析测试了多层膜的厚度、表面及截面形貌、硬度、膜/基结合力和抗砂粒冲蚀磨损性能等；重点研究了调制周期的改变对多层膜性能的影响。结果表明：随着周期数的增加，单一调制周期变薄，膜层中金属“液滴”颗粒等缺陷减少，同时也增加了大量的层间界面；层界面之间反复形核，晶粒细化，有利于多层膜表面光洁度、致密度、硬度、结合力和抗砂粒冲蚀能力的改善。

　　为有效地控制和减少固体粒子冲蚀磨损造成的损耗，提高部件的使用寿命，近年来科技工作者进行了多方面的研究。其中，在材料表面涂覆一层抗冲蚀磨损防护涂层是一种行之有效且节约资源的措施。在众多抗冲蚀涂层中，气相沉积氮化物硬质薄膜以其优良的耐磨性能、附着力和表面光洁度等特点，早在20 世纪90 年代就在航空用发动机压气机中得到应用。但随着技术的发展，单层的氮化物硬质薄膜(如TiN) 也体现出一些不足，如随着厚度的增加，膜层内应力增大，与基体的结合力变差，容易出现脱落；同时，耐蚀性和抗冲击性也较差，难以满足抗冲蚀的使用要求，故需要改进单层膜体系以满足工程要求。

　　为进一步提高硬质薄膜的性能，特别是抗冲蚀磨损性能，众多研究人员采用多层结构来降低内应力、增加膜层韧性及厚度，使其与基体材料结合牢固的前提下，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗冲击性。

　　本文采用真空阴极电弧沉积技术，在不同靶位装上金属Ti 和Zr 靶，制备Ti-TiN-Zr-ZrN多周期软硬交替多层膜。采用Ti-TiN-Zr-ZrN 多周期软硬交替多层膜主要是基于金属氮化物陶瓷薄膜耐腐蚀性好、硬度高和耐磨性佳，但抗冲击性能差；因此，在金属氮化物陶瓷薄膜插入金属软层，可大幅度地提高膜层韧性和降低膜层的内应力。这样通过Ti 和Zr交替实现层间成分的改变，可有效地阻止柱状晶的长大，起到细化晶粒，增加界面，从而得到硬度更高、耐磨性和韧性更好的多元多层膜。并研究对比了调制周期的改变对Ti-TiN-Zr-ZrN 多层膜性能的影响，以期优化出一种综合性能佳的抗冲蚀多层膜。

　　1、试验方法

　　1. 1、样品的制备

　　本实验使用的基体材料，主要是TC11 钛合金(Ti-6Al-3. 5Mo-1.8Zr) ，尺寸为Φ20 mm × 5 mm，表面磨光至粗糙度Ra < 0.4 μm，同时使用抛光(100)单晶Si 片基体供观察截面柱状晶生长情况。样品镀膜前清洗流程为：5%金属清洗剂溶液超声波除油→去离子水冲洗→去离子水超声→去离子水冲洗→脱水→烘干。

　　实验设备为AS700DTX 型自动控制十二弧源阴极电弧镀膜机，炉内分三列可共装12 个Φ100 mm圆形靶，其中两列共装8 个Ti 靶( 纯度> 99.9%) ，另一列装4 个Zr 靶( 纯度> 99.9%) ，通过调节气体流量和依次启动Ti 靶和Zr 靶，沉积Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜，Ti-TiN 层和Zr-ZrN 层的厚度比例为1：1，金属层与金属氮化物层的比例为1：6。以Ti-TiNZr-ZrN 四层结构为一个周期，在保持不同调制周期的多层膜总厚度为同一水平的基础上，通过计算机程序控制每个周期的沉积时间，分别沉积3、12 和24周期的多层膜。

　　试验用的气体为99.999% 高纯氮气和氩气。在薄膜沉积前用- 1000 V 偏压进行离子轰击清洗30 min。主要的沉积参数：沉积温度：300 ～350℃，偏压：-100 ～-150 V，N2压强：0.5 ～1.0 Pa，靶电流：80 ～100 A。

　　1.2、测试方法

　　用Nova NanoSEM 430 型超高分辨率场发射扫描电子显微镜(SEM) 观察膜层表面和截面形貌。采用MH-5D 型硬度计测量膜层的维氏显微硬度，载荷为25g，保载时间15s。采用PHI-700 型纳米扫描俄歇电子能谱(AES) 分析膜层成分深度分布。采用HH-3000 薄膜结合强度划痕试验仪测试膜/基结合强度，划痕实验采用最大载荷100 N，加载速度100 N/min，划痕速度5 mm/min。抗冲刷性能采用AS600-特制喷砂试验机按ASTM G76-05 标准进行，用有棱角的刚玉(Al2O3) 砂粒，砂粒大小约55μm，砂粒速率为30± 2m/s，进砂速率约为2 ± 0.5 g/min，分别采用30°± 2°和90°± 2°冲刷攻角进行试验。

　　3、结论

　　采用真空阴极电弧离子镀技术，在TC11基体表面制备了3 种不同调制周期的Ti-TiN-Zr-ZrN多周期软硬交替多层膜，多层膜的性能随调制周期的变化呈如下规律：

　　(1) 在多层膜总厚度相当条件下，随着周期数的增加，每一调制周期厚度变薄，膜层中金属“液滴”颗粒等缺陷减少和变小，有利于多层膜表面光洁度和平整度的改善。

　　(2) 随着周期数的增加，增加了大量的层间界面，各层界面之间反复形核，从而晶粒细化，同时“缺陷”减少，有利于薄膜致密度、硬度和结合力的提高。

　　(3) 周期数的增加，多层膜抗砂粒冲蚀能力也随之提升；同时，多层膜在30°攻角的抗冲蚀性能明显优于90°攻角。