摘要
表面镀膜技术已广泛应用于表面防护、加工制造、半导体、光学器件、装饰等行业。本文通过物理气相沉积(PVD)技术沉积氮化物纳米多层涂层，调控涂层生长结构，打断柱状晶生长结构，利用纳米多层的增硬、增韧及“封孔作用”，制备出具有高硬度、高韧性、结合力好、耐磨性及耐腐蚀性能高的涂层，提高硬质涂层的综合防护效果，从而能够显著改善钛合金基体的摩擦磨损性能及耐腐蚀性能。主要内容如下： 利用磁控溅射镀膜技术制备TiN、ZrN单层与其纳米多层涂层，研究纳米多层相对于单层的优势，及调制周期(Λ)对纳米多层性能的影响规律。单层与纳米多层涂层虽然均呈现贯穿整个涂层的柱状晶结构，但TiN/ZrN纳米多层涂层柱状结构的晶粒横向尺寸变小、生长结构致密，并且表面平整，无明显凸起。当Λ小于8.9nm时，XRD图谱中出现卫星峰，多层涂层实现共格外延生长。由于TiN/ZrN纳米多层涂层的高硬度与高韧性配合，使得耐磨性均优于单层；TiN/ZrN纳米多层晶粒细化、结构致密，耐腐蚀性优于单层。当Λ为30nm时，涂层的磨损率最低，为5.04×10-6mm3N-1m-1，具有最优的耐磨性能；而调制周期为8.9nm，达到最低自腐蚀电流密度(icorr)(5.13×10-5A/cm2)，具有最优的耐腐蚀性能。但纳米多层涂层的柱状晶结构未被打断，阻碍了耐腐蚀性能进一步提高；同一调制周期的涂层未达到最优的耐蚀性与耐磨性。 考虑到电弧离子镀具有更高的离化率，所溅射出的粒子在负偏压作用下具有更高的离子能量，能够得到致密度更好的涂层，并有利于改善钛合金与硬质涂层结合力的问题；另一方面，氮化物涂层中CrN比ZrN具有更好的耐磨耐腐蚀性。因此利用电弧离子镀技术沉积TiN、CrN单层及TiN/CrN纳米多层涂层。研究发现TiN/CrN纳米多层表现出较高的硬度(24 GPa)，相对于TiN、CrN单层涂层，TiN/CrN纳米多层涂层明显提高其力学性能、耐磨耐腐蚀性能，且相对于前期所制备的TiN/ZrN纳米多层涂层性能也有所提高。 通过改变Λ，进一步优化TiN/CrN纳米多层。研究发现，TiN/CrN纳米多层柱状晶晶粒被部分打断，没有形成贯穿整个涂层的柱状晶结构；随Λ降低，晶粒发生共格外延生长的趋势增加；TiN/CrN纳米多层的硬度值随Λ降低而增加，在Λ为12nm时，硬度达到最高值29.79GPa；Λ为12nm时，结合力达到最大值36N。磨损率随着Λ降低出现降低的变化趋势；icorr随着Λ降低而降低。其中调制周期为12nm的TiN/CrN纳米多层涂层的磨损率最低(1.18×10-7mm3N-1m-1)；同时其icorr也最低(1.03×10-7A/cm2)。因此，优化后的TiN/CrN纳米多层在同一调制周期内达到最优耐磨耐蚀性能，使得钛合金基体获得最优的防护效果。
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