双阴极等离子沉积技术在TC4表面改性的应用
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摘 要：提高钛合金表面耐磨耐腐蚀性能是钛合金表面改性的主要研究方向，双阴极等离子溅射沉积技术具有沉积薄膜速度快，厚度容易控制等特点，在涂层制备方面被广泛应用。文章介绍了双阴极等离子溅射沉积技术的主要原理及特点，并综述了最近几年利用该技术制备涂层用于TC4表面改性方面的一些研究成果以及对未来研究方向做了一些展望。
关键词：TC4表面改性;涂层;双阴极等离子溅射
中图分类号：TG337 文献标志码：A 文章编号：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
钛合金具有密度低，比强度高，热强度好，耐腐蚀性能好，材料具有良好的相容性等特点，广泛应用于航空航天工业、船舶、化工、汽车、医疗、体育等领域。但当钛合金用作零件副部件时，耐磨性的缺陷会影响其性能和使用寿命，同时钛合金的高温抗氧化能力差，耐腐蚀性能差，在含有Cl-、F-等卤素元素的溶液中容易发生点腐蚀现象，这些因素同样制约了钛合金的发展应用。目前，关于钛合金表面耐磨、耐腐蚀性能的改性是钛合金表面改性的主要研究方向。本文基于双阴极等离子溅射沉积技术，对近几年有关学者利用该技术在TC4表面改性方面所做的研究进行了一些归纳总结。
1 双阴极等离子溅射沉积技术
1.1 TC4钛合金表面改性方法
关于钛合金表面改性技术有很多种，常见的包括电镀、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、激光表面处理、离子注入法、表面氮化技术、磁控溅射等多种技术[1]。
1.2 双阴极等离子溅射沉积技术原理
双阴极等离子溅射沉积技术是基于离子氮化技术发展而来，由我国徐重教授于1985年在美国取得专利。其工作原理是利用炉内双阴极与阳极之间的双层辉光放电现象轰击源极靶材，使靶材材料溅射出来，在工件表面经沉积扩散过程形成与基体结合良好的具有特殊优良性能的表面改性涂层，工作原理图如图1所示。
真空炉内设有源极（靶材）和工件作为双阴极，炉顶设有阳极，当炉内抽真空至一定程度后通入惰性气体并至一定工作气压，此时源极与阳极以及工件与阳极之间通入直流电源，产生辉光放点现象，使炉内惰性气体（Ar）电离成等离子状态，不断轰击源极靶材和工件，工件在等离子轰击下迅速被加热至高温，源极靶材在轰击作用下溅射出的合金元素不斷奔向工件表面，经沉积扩散过程形成一定厚度的涂层[2]。通过调节气压，源极电压，工件电压，极间距等工艺参数可以控制涂层的厚度以及质量，从而制得满意的涂层。
1.3 双阴极等离子溅射沉积技术的特点
双阴极等离子溅射沉积技术作为一门日渐成熟的技术，结合了低温等离子表面冶金技术和传统渗金属技术，具有一系列优良的特点[3]。
（1）欲渗金属的选材范围非常广泛，不仅包括导电金属材料，还可以沉积化合物、陶瓷薄膜材料。
（2）渗层组织可控性高，通过控制制备过程中源极电压、工件电压、气压、温度、极间距等参数，可以对渗层组织成分、结构、性能进行控制。
（3）沉积效率高。在双层辉光放电过程中，由于空心阴极效应，大大提高了材料表面活化能，高能粒子的轰击作用使工件表面产生高浓度的位错密集区，为欲渗元素的沉积扩散创造了条件。
（4）基材选材范围广。普通钢铁材料，有色金属，陶瓷材料均可作为基体。
（5）能耗小，成本低。工件通过高能粒子的轰击可加热至较高温度，无需外加热源，加工过程中靶材损耗小，材料利用率高。
（6）环保，无污染。
2 研究综述
目前，利用双阴极等离子溅射沉积技术已经在TC4钛合金表面制备出了许多性能优异的涂层，本文着重介绍利用该技术在TC4上制备的TiN涂层，Nb2N涂层以及NbCN涂层的性能研究。
2.1 TiN涂层
吴利用双阴极等离子溅射技术在TC4基体上成功制备出了TiN涂层，涂层外观呈金黄色，制备过程中，通入的氮气比例越高，涂层颜色越深。经XRD检测分析，涂层主要成分为TiN并含有少量的Ti2N，涂层的SEM形貌观测显示涂层均匀，致密，无明显孔洞缺陷，涂层厚度约为10um，过度层厚度约为3um。涂层的力学性能及磨损性能分析显示，涂层的临界载荷达到81.75N，远远满足工程要求，涂层与基体结合良好。在常温下，TiN的摩擦系数约0.6，与TC4差异不大，但在高温（500℃）下，TiN的摩擦系数能稳定在0.6附近，远低于TC4基体（1.0），表明涂层具有很好的高温耐磨性。电化学性能显示TiN涂层的自腐蚀电流密度远低于TC4基体，表明涂层相对于基体具有更好的耐腐蚀性[4]。 2.2 Nb2N涂层
张采用双阴极等离子技术制备的Nb2N涂层表面均匀致密，XRD测试结果与标准Nb2N图谱吻合，表明涂层成分为Nb2N，涂层断口的SEM分析显示涂层厚度达到21um，EDS检测表示涂层主要由Nb和N两种原子组成，没有其他杂质成分。划痕实验测得的结果表明，涂层的临界载荷达到78.2N，远大于经验公式中的30N，满足日常过程中的磨损;采用压痕法测得涂层硬度达到1784.44HV，远大于TC4钛合金基体的平均硬度367.18HV;在电化学的测试中，在3.5wt.%NaCl溶液中，Nb2N涂层的腐蚀电流密度icroo相比于钛合金基体低了大约一个数量级，阻抗谱显示氮化铌涂层的极限阻抗值与相位角均要高出TC4基体，涂层对基体的保护率高达92.57%，表明氮化铌涂层具有很好的耐腐蚀性能[5]。
2.3 NbCN涂层
涂利用双阴极等离子技术在TC4表面成功沉积出了NbCN涂层，涂层整体平整，光滑，无孔洞裂纹等缺陷和剥落迹象。涂层厚度约为14um，由约2um的过渡层和12um的沉积层组成。涂层的XRD分析表明，涂层晶相由Nb2CN和Nb2N组成，为面心立方结构，在（200）晶面具有择优生长趋势。使用维氏硬度计对涂层进行了断裂韧性测试，表明涂层具有较高的韧性;使用纳米压入测试显示涂层的硬度和弹性模量均高于TC4基体;通过划痕仪的检测得到涂层的临界载荷为82.9N，表明涂层与基体结合良好，满足摩擦工作环境的最低要求。涂层的磨损性能研究结果显示涂层的摩擦系數在常温下平均稳定在0.25左右，高温下稳定在0.3附近，均低于TC4基体的摩擦系数，表明涂层具有良好的耐磨性能。电化学检测显示涂层的低频阻抗达到107Ω·cm2，高出TC4基体两个数量级，涂层的相位角也高出基体，证明NbCN涂层的耐腐蚀性能远优于TC4钛合金基体[6]。
3 结束语
双阴极等离子溅射沉积技术经过30多年的研究和发展，目前利用该技术已经成功地在碳钢、钛合金、铜合金表面制备了一系列高速钢、高温合金、陶瓷、金属间化合物等表面合金涂层，其技术优点明显，制得的涂层质量高，性能优越，越来越受学术界的关注，相信在未来的发展中，利用该技术可以实现更为复杂的沉积方式，在材料的表面改性工程中得到更多的应用[7]。
参考文献：
[1]莱茵斯.钛与钛合金[M].北京：化学工业出版社，2003：151-156.
[2]徐重，范本惠，郑维能，等.双层辉光离子渗钛[J].金属热处理，1986，5：13-20.
[3]高原，刘小平，贺志勇，等.双层辉光离子渗钨铝层渗碳组织的电镜分析[J].中国有色金属学报，2000，10（1）：55-58.
[4]吴新蕾.双阴极等离子沉积TiN涂层的工艺及性能研究[D].武汉工程大学，2016.
[5]张进中.双阴极等离子溅射沉积Nb2N涂层及其性能研究[D].武汉工程大学，2018.
[6]涂高阳.TC4表面制备NbCN涂层的耐磨耐蚀性能的研究[D].武汉工程大学，2018.
[7]高原，徐晋勇，高清，等.双层辉光离子渗金属技术特点[J].中国工程科学，2008，10（2）：26-29.
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