磁控溅射制备镍基复合薄膜的组织及耐蚀性研究

摘要

在日常生活和工业生产中，金属材料的腐蚀现象随处可见，这严重影响了金属材料的机械性能，降低了设备的使用寿命造成了巨大损失。镍基复合材料是在防腐蚀领域广泛应用的结构材料，其中镍锆(Ni-Zr)合金和镍铬锆(NiCrZr)三元合金具有优异的耐腐蚀、稳定性好等特点，已经被广泛应用于各种海洋环境。磁控溅射因为具有镀膜面积大、对工件表面要求低、薄膜附着力强等优点，现已成为制备薄膜的主要方式之一。制备表面光洁致密的Ni-Zr和NiCrZr复合薄膜是提高在海洋环境中广泛应用的不锈钢材料耐蚀性的有效途径。以本研究针对海洋环境下的严酷腐蚀环境的需要，采用磁控溅射工艺在316L不锈钢基体上用不同工艺参数制备了Ni-Zr薄膜以及NiCrZr三元复合薄膜，通过调整成分和形貌来优化提高其耐腐蚀性能。主要内容包括以下几个方面：　　(1)首先以纯Ni靶和纯Zr靶为实验原料，采用磁控溅射工艺在316L基体上使用不同溅射速率制备了Ni-Zr复合薄膜，实验结果表明，随着溅射速率的增加，薄膜组织由岛状转变为平面状，组织不断细化。薄膜厚度不断增加，表面粗糙度不断降低。此外薄膜的结晶性逐渐增强，物相主要由结晶相和非晶相组成，其中结晶相主要有Ni、Ni3Zr和Ni5Zr。薄膜非晶相与纳米晶相互混合的物相组成可以有效降低腐蚀电流的传输速度。根据电化学交流阻抗和动电位极化曲线分析，Ni靶沉积功率为200W，Zr靶沉积功率为100W时，薄膜的耐蚀性最好，腐蚀电流密度为14.51nA·cm-2，较316L不锈钢基体降低了17倍。　　(2)基体温度影响Ni-Zr薄膜的形貌、晶体结构、孔隙率以及薄膜耐腐蚀性能。本实验通过改变316L基体的温度，在不同基体温度下制备了Ni-Zr薄膜。研究发现，随着基体温度的升高，薄膜的生长方式从层状生长最后变为岛状生长。膜的结晶性受基体温度的影响，温度越高薄膜的结晶化趋势越明显。组织主要为非晶相和Ni、Ni3Zr、Ni5Zr三种物相。随着基体温度的增加，部分Ni5Zr分解为Ni3Zr，Ni5Zr峰减弱，Ni3Zr峰增强。不同基片温度下制备的Ni-Zr薄膜耐腐蚀性能不同，Ni-Zr薄膜的耐腐蚀性随着制备薄膜的基片温度的升高而增加，因为薄膜的孔隙率会随基体温度的增加而降低。在基片温度300℃下制备的Ni-Zr薄膜耐腐蚀性能最好，腐蚀电流为25.9nA·cm-2。　　(3)Zr含量会影响NiCrZr薄膜的形貌、晶体结构、孔隙率以及薄膜的耐腐蚀性能。通过控制Zr靶的功率，制备了不同Zr含量的NiCrZr薄膜。随着Zr靶功率的增加，薄膜中Zr含量随之增加，薄膜的组织结构变得细化，表面粗糙度由4.91减小到了2.19nm。薄膜主要由非晶相和Cr3Ni2、Cr1.2Ni0.8Zr、Cr2Zr、CrO3、NiCrO4以及ZrO2相组成。与316L基体相比，NiCrZr薄膜在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蚀电流密度减小，腐蚀电位增加。当Zr含量为24.73at%时，NiCrZr薄膜可以在溶液中形成稳定的钝化膜，从而表现出最佳的耐蚀性，腐蚀电流密度达到最小值13.10nA?cm-2，与316L基体相比减小了19倍。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 镍基复合材料简介

1.2.1 Ni-Zr复合材料的研究现状

1.2.2 NiCrZr复合材料的研究现状

1.3 磁控溅射技术简介

1.3.1 磁控溅射原理

1.3.2 磁控溅射特点

1.4 薄膜的生长概述

1.4.1 薄膜的形成过程

1.4.2 薄膜的生长方式

1.4.3 影响薄膜生长的因素

1.5 本文主要研究内容

2 实验设备和方法

2.1.1 实验材料

2.1.2 磁控溅射设备

2.2.1 316L不锈钢基体的预处理

2.2.2 Ni-Zr薄膜及NiCrZr薄膜的制备

2.3.1 薄膜物相分析(X射线衍射)

2.3.2 薄膜物相结构分析(透射电镜)

2.3.3 薄膜表面形貌的检测与成分分析

2.3.4 薄膜厚度分析

2.3.5 薄膜表面微结构分析

2.3.6 电化学测试

2.4 实验方案

3 溅射速率对Ni-Zr薄膜耐腐蚀性的影响

3.1 不同沉积速率的Ni-Zr薄膜的形貌

3.2 不同沉积速率的Ni-Zr薄膜的元素含量

3.3 不同沉积速率的Ni-Zr薄膜的三维形貌

3.4 不同沉积速率的Ni-Zr薄膜的XRD物相

3.5 不同沉积速率的Ni-Zr薄膜的TEM图像

3.6 不同沉积速率的Ni-Zr薄膜的电化学性能

3.6.1 不同沉积速率Ni-Zr薄膜的交流阻抗分析

3.6.2 不同沉积速率的Ni-Zr薄膜的动电位极化曲线

3.7 本章小结

4 基体温度对Ni-Zr薄膜耐腐蚀性能的影响

4.1 不同基体温度的Ni-Zr薄膜的形貌

4.2 不同基体温度的Ni-Zr薄膜的元素含量

4.3 不同基体温度的Ni-Zr薄膜的XRD物相

4.4 不同基体温度的Ni-Zr薄膜的TEM图像

4.5 不同基体温度的Ni-Zr薄膜的电化学性能

4.5.1 不同基体温度制备的Ni-Zr薄膜的交流阻抗分析

4.6.2 不同基体温度的Ni-Zr薄膜的动电位极化曲线

4.6 本章小结

5 Zr含量对NiCrZr薄膜耐腐蚀性能的影响

5.1 不同Zr含量的NiCrZr薄膜的形貌

5.2 不同Zr含量的NiCrZr薄膜的元素含量

5.3 不同Zr含量的NiCrZr薄膜的三维形貌

5.4 不同Zr含量的NiCrZr薄膜的XRD物相

5.5 不同Zr含量的NiCrZr薄膜的TEM物相

5.6 不同Zr靶功率的NiCrZr薄膜的电化学性能

5.6.1 不同Zr靶功率的NiCrZr薄膜的交流阻抗分析

5.6.2 不同Zr靶功率的NiCrZr薄膜的动电位极化曲线分析

5.7 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

致谢

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