多弧离子镀制备Ti/TiN多层薄膜的摩擦学和耐腐蚀性能

摘要

TiN作为第一个产业化的硬质薄膜，经历近四十年的发展，依旧活跃在工业防护领域的方方面面。由于TiN薄膜的优越性能，硬度高、韧性好、与基体结合强度高、低的电阻率、抗磨损、耐腐蚀，且制备工艺符合绿色制造业理念，所以TiN薄膜在功能和应用领域仍有较大范围的提升空间。随着社会的进步与工业的发展，人们对于薄膜的综合性能要求越来越高，并且针对不同的使役需求开发出具有特殊性能的薄膜。而TiN由于自身缺陷，例如柱状晶结构，以及500℃以上易氧化性，限制了其在一定范围内的应用。Ti/TiN多层薄膜的沉积有助于抑制TiN柱状晶的生长，可提高单层TiN薄膜的硬度、韧性以及膜基结合力，显著改善薄膜的力学性能和耐磨损耐腐蚀性能。本文利用多弧离子镀设备通过改变Ti层和TiN层沉积时间，制备出不同调制比的Ti/TiN多层膜，并通过对比TiN单层薄膜，考察了不同调制比下Ti/TiN多层膜的力学性能、摩擦磨损性能以及电化学性能，结果表明：
　　(1)制备的TiN单层薄膜柱状晶明显，Ti/TiN多层膜结构致密，且无明显缺陷。Ti/TiN多层膜均含有Ti和TiN两相，其中TiN相具有(111)面择优取向。多层膜的粗糙度均降低，表面更加平整光滑，其中S3-1:3具有最低的粗糙度19 nm。随着TiN层厚度的增加，样品S5-1:7具有最高的硬度值24.4 GPa；而S3-1:3和S4-1:5拥有较高的硬度/弹性模量比(H/E)，说明其具有优异的表面抗损伤能力和抗弹性变形能力。在膜基结合力的测试中，相比于TiN单层薄膜，四组Ti/TiN多层膜样品表现出良好的结合力，临界载荷均大于25 N。其中多层膜样品S3-1:3和S4-1:5表现出了优异的力学综合性能。
　　(2)在5 N载荷下，TiN单层薄膜摩擦系数较高，为0.59；Ti/TiN多层膜摩擦系数均低于TiN单层薄膜，主要是由于多层膜中软质Ti层的抗剪切作用，和硬质陶瓷TiN层的承载作用，从而降低了摩擦系数和磨损率。其中S3-1:3出现最低的摩擦系数和磨损率，分别为0.40和1.25×10-7 mm3/(N·m)，相比于TiN单层薄膜和其余组多层膜，其磨损率降低了一个数量级。在7 N载荷下，同样的，S3-1:3摩擦系数和磨损率最低，分别为0.29、3.49×10-6 mm3/(N·m)。TiN单层薄膜的磨损主要以磨料磨损为主，Ti/TiN多层膜的磨损主要以粘着磨损为主。
　　(3)在去离子水中，多层膜样品腐蚀电流密度均低于TiN单层薄膜，说明多层膜的腐蚀反应速率低于TiN单层薄膜。在3.5％NaCl溶液中，多层膜S2-1:1、S3-1:3和S4-1:5的腐蚀电流密度较TiN单层薄膜降低了一个数量级，且S3-1:3和S4-1:5的腐蚀电位较TiN单层薄膜分别正移了约67 mV和48 mV，阻抗值也高于TiN单层薄膜，其中多层膜S3-1:3具有最好的耐蚀性。盐雾720 h后样品表面出现锈蚀现象，后在3.5%NaCl溶液中进行耐蚀性的测试，横向对比五组样品，其耐蚀性能略有下降，多层膜样品S3-1:3表现出优于其余样品的耐蚀性。