离子注入剂量对镁合金表面钛膜的性能影响

简国军 张法光 李 粉 窦忠宇

（1.安顺学院电子与信息工程学院，贵州 安顺 561000；2.贵州省机电研究设计院，贵州 贵阳 550003）

0 引言

镁和镁合金具有密度小、抗冲击载荷能力好、易于切削加工等特点，广泛应用于汽车工业、3C电子工业及航空航天工业等领域［1］。镁合金AZ91具有良好的铸造性能与最高的屈服强度，可用于制造任何形式的部件并得到广泛应用，但其摩擦耐蚀性能较差。因此通常需要对镁合金铸件进行特殊的表面处理，才能保证其优异的服役性。表面处理技术的方法有喷涂表面、表面改性、复合表面、表面热处理等手段，常用的方法有喷丸、电镀、阳极氧化、微弧氧化、离子镀、离子注入、激光表面处理等方法［2］。王成龙等［3］提出采用真空多弧离子镀膜技术对镁及镁合金的表面进行防护，结果显示制备的多层膜拥有良好的摩擦耐蚀性能。林波等［4］采用单离子注入和双离子注入的方法对AZ91镁合金进行试验，发现经不同离子注入后试样表面形成了AlN、Cr和CrN等新的物相，试样的腐蚀电位较基体和试样显微硬度都有所提高。陶学伟等［5］通过注入Ti、N、Cr、Al离子发现，Ti、N单离子注入后镁合金表面硬度提高最为明显。任志华等［6］利用等离子辅助化学气相沉积法在硬质合金刀具上沉积了TiN薄膜，这种薄膜有效提高了刀具的抗磨损性能。Jin等［7］通过自注入的方式将Nd引入WE43镁合金，在其表面形成包含有Nd2O3和MgO的梯度改性层，有效减小了镁合金基体的降解速率。采用离子镀膜和离子注入的复合工艺在镁合金表面制备高性能的Ti/TiN复合纳米涂层，研究N离子注入剂量对Ti膜表面性能的影响，提供一种高性能复合涂层制备方法。

1 试验

本研究采用的基底材料为镁合金AC91，使用线切割机切割成15 mm×15 mm×5 mm的试样，依次使用1 000#、1 500#和2 000#的水磨砂纸打磨，进行抛光处理，在无水乙醇中使用超声波清洗10 min后冷风吹干。磁控溅射镀钛采用多功能离子镀膜机进行，试验条件如下：真空度3×10-3Pa，溅射功率150 W，镀膜时间120 min，镀膜前进行离子清洗1 min。采用多功能离子注入与沉积设备进行N离子注入，试验参数如表1所示。

表1 试验参数

使用台阶仪测量了镁合金表面Ti膜的厚度，采用显微维氏硬度计（HV-1000）对3个试样进行维氏硬度测量，求取5个点的测量平均值，测量载荷为HV0.025，保载时间为10 s。使用UMT-2摩擦磨损试验机对试样的摩擦磨损性能进行测试，转速100 r/min，摩擦半径12 mm，时间20 min，使用直径为6 mm的Al2O3球进行干摩擦。在摩擦试验前后使用精度为0.000 1 g的电子天平进行称量，用失重法来评价不同处理试样的耐磨损性能。采用TSCAN的扫描电镜对试样表面及磨痕形貌进行了观察。

2 试验结果与分析

2.1 涂层厚度与表面形貌

镁合金镀钛层的厚度测量与表面形貌如图1所示。从图1中可以看到，采用磁控溅射方法制备的镁合金表面钛膜厚度为713 nm。从钛层的表面形貌可以看到磁控溅射的膜层连续完整，抛光后的痕迹由于钛膜较薄清晰可见，同时表面有融液形成的颗粒存在，增加了试样表面的粗糙度。

图1 镁合金镀钛层厚度与表面形貌

2.2 表面显微硬度

显微硬度是材料表面的重要性能，反映材料抵抗局部弹塑性变形的能力，是对材料表面性能的综合量度［8］，其与摩擦性能密切相关。3个样品的维氏硬度测量结果见表2，3#试样维氏硬度测量结果见表3。根据硬度测试结果可知，相较于镀钛的样品，经过离子注入后表面的硬度显著提高。2#试样的显微硬度提升了14.05%，3#试样的显微硬度提升了31.41%。表面显微硬度的提升说明表面形成了较硬的涂层结构，说明经过N离子注入后Ti层中有TiN的生成，Savaloni等［9］采用离子注入钛箔中发现有TiN的出现说明了这一点。离子注入的剂量达到一定值后会产生明显的晶粒细化，导致晶界数量增加，造成强化效果，提高了材料的硬度［10］。通过对磁控溅射镀钛层进行离子注入是有效的方法，可以提升镀钛层的力学性能。

表2 维氏显微硬度测量结果与分析表

2.3 摩擦磨损性能

使用摩擦磨损试验机完成摩擦试验后得到20 min的平均摩擦系数μ，再通过电子天平测量得到试样的磨损失重，如图3所示。表面镀钛的试样平均摩擦系数为0.503，较低的N离子注入剂量下摩擦系数下降到0.395，注入剂量进一步提高后摩擦系数为0.299。由此可知，随着注入剂量的提高，镁合金表面钛膜的摩擦性能得到提高。这是由于表面TiN的出现，摩擦磨损性能强烈依赖于材料表面的硬度、强度等物理性能［11］，表面显微硬度的提高降低了摩擦系数，磨损失重的数据也说明了这一点。相较于未注入试样，在注入剂量为5×1017icon/cm2时，磨损量为未处理时的三分之一，表面膜层中TiN含量的增加进一步降低了摩擦系数，提高了复合涂层的耐磨损性能。

图2 3#试样维氏硬度测量结果

图3 试样的平均摩擦系数和磨损失重量

3个不同试样的磨痕形貌如图4所示。由图4可知，镀钛试样表面磨损情况较严重，出现了大块的涂层剥离，有明显的磨粒和黏着磨损痕迹；经过离子注入之后的样品磨损程度明显减轻，表面完整度得到提高，磨粒磨损和黏着磨损的程度大幅改善；在较高的离子注入剂量下耐磨性能进一步提高，表面的完整度提高。磨损性能的改善是由于表面Ti/TiN复合涂层的影响，离子注入后表面硬度提高，晶粒细化降低了膜层的表面粗糙度。磨损性能的提高与摩擦系数的表现是一致的。

图4 不同试样的磨痕形貌

3 结论

采用磁控溅射和离子注入的方法在镁合金表面制备了Ti/TiN复合涂层，研究了涂层表面的力学和摩擦磨损性能，得到以下结论。

①离子注入后镁合金表面Ti膜的显微硬度增大，随注入剂量的增加而增加，这是由于TiN相的出现，表面形成了Ti/TiN复合涂层，晶粒细化也造成了强化效果。

②通过N离子处理后镁合金表面的Ti/TiN复合涂层摩擦系数降低，耐磨损性能得到提高。随着注入剂量的提高，摩擦磨损性能进一步提高，这是由于硬度提高和表面粗糙度降低而产生的效果。