采用真空陰極電弧沉積技術(shù)，在TC11 鈦合金表面沉積同等厚度的三種不同調(diào)制周期Ti-TiN-Zr-ZrN 軟硬交替多層膜。用掃描電鏡、顯微硬度計(jì)、結(jié)合力劃痕儀和砂粒沖刷試驗(yàn)儀分析測(cè)試了多層膜的厚度、表面及截面形貌、硬度、膜/基結(jié)合力和抗砂粒沖蝕磨損性能等；重點(diǎn)研究了調(diào)制周期的改變對(duì)多層膜性能的影響。結(jié)果表明：隨著周期數(shù)的增加，單一調(diào)制周期變薄，膜層中金屬“液滴”顆粒等缺陷減少，同時(shí)也增加了大量的層間界面；層界面之間反復(fù)形核，晶粒細(xì)化，有利于多層膜表面光潔度、致密度、硬度、結(jié)合力和抗砂粒沖蝕能力的改善。
為有效地控制和減少固體粒子沖蝕磨損造成的損耗，提高部件的使用壽命，近年來(lái)科技工作者進(jìn)行了多方面的研究。其中，在材料表面涂覆一層抗沖蝕磨損防護(hù)涂層是一種行之有效且節(jié)約資源的措施。在眾多抗沖蝕涂層中，氣相沉積氮化物硬質(zhì)薄膜以其優(yōu)良的耐磨性能、附著力和表面光潔度等特點(diǎn)，早在20 世紀(jì)90 年代就在航空用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中得到應(yīng)用。但隨著技術(shù)的發(fā)展，單層的氮化物硬質(zhì)薄膜(如TiN) 也體現(xiàn)出一些不足，如隨著厚度的增加，膜層內(nèi)應(yīng)力增大，與基體的結(jié)合力變差，容易出現(xiàn)脫落；同時(shí)，耐蝕性和抗沖擊性也較差，難以滿足抗沖蝕的使用要求，故需要改進(jìn)單層膜體系以滿足工程要求。
為進(jìn)一步提高硬質(zhì)薄膜的性能，特別是抗沖蝕磨損性能，眾多研究人員采用多層結(jié)構(gòu)來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力、增加膜層韌性及厚度，使其與基體材料結(jié)合牢固的前提下，具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和抗沖擊性。
本文采用真空陰極電弧沉積技術(shù)，在不同靶位裝上金屬Ti 和Zr 靶，制備Ti-TiN-Zr-ZrN多周期軟硬交替多層膜。采用Ti-TiN-Zr-ZrN 多周期軟硬交替多層膜主要是基于金屬氮化物陶瓷薄膜耐腐蝕性好、硬度高和耐磨性佳，但抗沖擊性能差；因此，在金屬氮化物陶瓷薄膜插入金屬軟層，可大幅度地提高膜層韌性和降低膜層的內(nèi)應(yīng)力。這樣通過(guò)Ti 和Zr交替實(shí)現(xiàn)層間成分的改變，可有效地阻止柱狀晶的長(zhǎng)大，起到細(xì)化晶粒，增加界面，從而得到硬度更高、耐磨性和韌性更好的多元多層膜。并研究對(duì)比了調(diào)制周期的改變對(duì)Ti-TiN-Zr-ZrN 多層膜性能的影響，以期優(yōu)化出一種綜合性能佳的抗沖蝕多層膜。
1、試驗(yàn)方法
1. 1、樣品的制備
本實(shí)驗(yàn)使用的基體材料，主要是TC11 鈦合金(Ti-6Al-3. 5Mo-1.8Zr) ，尺寸為Φ20 mm × 5 mm，表面磨光至粗糙度Ra < 0.4 μm，同時(shí)使用拋光(100)單晶Si 片基體供觀察截面柱狀晶生長(zhǎng)情況。樣品鍍膜前清洗流程為：5%金屬清洗劑溶液超聲波除油→去離子水沖洗→去離子水超聲→去離子水沖洗→脫水→烘干。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備為AS700DTX 型自動(dòng)控制十二弧源陰極電弧鍍膜機(jī)，爐內(nèi)分三列可共裝12 個(gè)Φ100 mm圓形靶，其中兩列共裝8 個(gè)Ti 靶( 純度> 99.9%) ，另一列裝4 個(gè)Zr 靶( 純度> 99.9%) ，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量和依次啟動(dòng)Ti 靶和Zr 靶，沉積Ti-TiN-Zr-ZrN多層膜，Ti-TiN 層和Zr-ZrN 層的厚度比例為1：1，金屬層與金屬氮化物層的比例為1：6。以Ti-TiNZr-ZrN 四層結(jié)構(gòu)為一個(gè)周期，在保持不同調(diào)制周期的多層膜總厚度為同一水平的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制每個(gè)周期的沉積時(shí)間，分別沉積3、12 和24周期的多層膜。
試驗(yàn)用的氣體為99.999% 高純氮?dú)夂蜌鍤?。在薄膜沉積前用- 1000 V 偏壓進(jìn)行離子轟擊清洗30 min。主要的沉積參數(shù)：沉積溫度：300 ～350℃，偏壓：-100 ～-150 V，N2壓強(qiáng)：0.5 ～1.0 Pa，靶電流：80 ～100 A。
1.2、測(cè)試方法
用Nova NanoSEM 430 型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察膜層表面和截面形貌。采用MH-5D 型硬度計(jì)測(cè)量膜層的維氏顯微硬度，載荷為25g，保載時(shí)間15s。采用PHI-700 型納米掃描俄歇電子能譜(AES) 分析膜層成分深度分布。采用HH-3000 薄膜結(jié)合強(qiáng)度劃痕試驗(yàn)儀測(cè)試膜/基結(jié)合強(qiáng)度，劃痕實(shí)驗(yàn)采用z*大載荷100 N，加載速度100 N/min，劃痕速度5 mm/min。抗沖刷性能采用AS600-特制噴砂試驗(yàn)機(jī)按ASTM G76-05 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，用有棱角的剛玉(Al2O3) 砂粒，砂粒大小約55μm，砂粒速率為30± 2m/s，進(jìn)砂速率約為2 ± 0.5 g/min，分別采用30°± 2°和90°± 2°沖刷攻角進(jìn)行試驗(yàn)。
2、結(jié)論
采用真空陰極電弧離子鍍技術(shù)，在TC11基體表面制備了3 種不同調(diào)制周期的Ti-TiN-Zr-ZrN多周期軟硬交替多層膜，多層膜的性能隨調(diào)制周期的變化呈如下規(guī)律：
(1) 在多層膜總厚度相當(dāng)條件下，隨著周期數(shù)的增加，每一調(diào)制周期厚度變薄，膜層中金屬“液滴”顆粒等缺陷減少和變小，有利于多層膜表面光潔度和平整度的改善。
(2) 隨著周期數(shù)的增加，增加了大量的層間界面，各層界面之間反復(fù)形核，從而晶粒細(xì)化，同時(shí)“缺陷”減少，有利于薄膜致密度、硬度和結(jié)合力的提高。
(3) 周期數(shù)的增加，多層膜抗砂粒沖蝕能力也隨之提升；同時(shí)，多層膜在30°攻角的抗沖蝕性能明顯優(yōu)于90°攻角。
