孿生磁控濺射制備氮化鉻涂層的研究
主要研究了孿生磁控濺射技術(shù)制備不同含氮量的CrNx涂層，以及N2流量對(duì)涂層組織、結(jié)構(gòu)性能、耐腐蝕性能的影響。試驗(yàn)設(shè)備采用自行研制的MSP-1000復(fù)合離子鍍膜機(jī)，配置了四對(duì)孿生磁控濺射靶和對(duì)稱雙極性脈沖中頻磁控濺射電源。結(jié)果表明：增加氮流量對(duì)膜層的性質(zhì)有重要的影響。如CrN晶體生長(zhǎng)取向，隨著N2流量的增加CrN擇優(yōu)取向由<111>轉(zhuǎn)變?yōu)?lt;200>，N2流量較低時(shí)涂層中生成有Cr2N相。在N2流量為33%和100%時(shí)的CrNx腐蝕電位分別為-0.17和-0.33V，具有較強(qiáng)的抗鹽霧腐蝕性能。
CrN涂層作為硬質(zhì)薄膜性能十分優(yōu)越，在工業(yè)應(yīng)用中常用來(lái)保護(hù)基體材料，如阻擋表面腐蝕、磨損以及相關(guān)的損傷。CrN通常使用物理氣相沉積(PVD physical vapor deposition)方法制備，特別是其中的直流磁控濺射技術(shù)能達(dá)到很高的沉積速率，但是要求靶材料必須是導(dǎo)體，而且在反應(yīng)氣體中容易形成導(dǎo)電性能差或是絕緣的化合物，這種反應(yīng)不能完全限制在基片上，在靶表面及其附近都有可能發(fā)生，這時(shí)沉積過(guò)程的穩(wěn)定性就難以得到保證。對(duì)稱雙極性脈沖磁控濺射技術(shù)就克服了這個(gè)缺點(diǎn)，在沉積過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，而且能最大化減少環(huán)境污染物，兩個(gè)完全相同的靶其中一個(gè)為負(fù)極，另外一個(gè)就充當(dāng)陽(yáng)極的作用，這時(shí)陰極產(chǎn)生的二次電子就會(huì)加速流向陽(yáng)極并中和表面的電荷，這種工作方式的優(yōu)點(diǎn)不僅能夠消除弧光放電減少大顆粒的產(chǎn)生而且能夠解決陽(yáng)極消失的問(wèn)題，因此中頻磁控濺射工藝過(guò)程穩(wěn)定，制備的薄膜性能優(yōu)越。
氮化鉻的研究主要集中在摩擦、機(jī)械性能以及摻雜等方面，但是關(guān)于耐腐蝕性能與氮?dú)辶髁勘鹊年P(guān)系還未深入研究。本文的主要目的是利用中頻磁控濺射技術(shù)優(yōu)勢(shì)制備CrNx涂層并研究氮?dú)饬髁繉?duì)涂層結(jié)構(gòu)、耐腐蝕等性能的影響。
1、試驗(yàn)方法
本實(shí)驗(yàn)所用基體材料為201不銹鋼，名義成分(質(zhì)量比)如表1所示。基體尺寸20mm×30mm，實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水分別超聲清洗10min，烘干備用。實(shí)驗(yàn)采用自行研制的MSP-1000鍍膜系統(tǒng)沉積CrNx涂層，鉻靶純度99.9%，氮?dú)饧兌?9.95%。實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段如圖1所示，第一階段：加熱至100℃去除真空室器壁表面吸附氣體，將真空度抽至2×10-3 Pa。第二階段，樣品加-800V偏壓，濺射出來(lái)的Cr離子在偏壓的作用下轟擊樣品表面，超聲清洗后仍然會(huì)有污染物殘留，通過(guò)轟擊可以進(jìn)一步達(dá)到清潔的目的，另外一個(gè)作用就當(dāng)Cr離子的能量足夠高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種注入效應(yīng)。第三階段：在沉積氮化鉻薄膜時(shí)將偏壓調(diào)到-300V，四組實(shí)驗(yàn)通入不同比例的氮?dú)?體積含量)，分別為33%，50%，67%，100%，分別標(biāo)記為1#，2#，3#，4#。
表1 201不銹鋼的名義成分
圖1 CrNx涂層的沉積次序
采用丹東方圓DX2700X射線衍射(XRD)儀研究CrNx涂層組織結(jié)構(gòu)。日本JSM-6490VL掃描電鏡(SEM)觀察表面形貌，美國(guó)EDAX-Genesis型X射線能譜(XPS)儀。普林斯頓PAR2273電化學(xué)工作站以及鹽霧試驗(yàn)箱YWX/150B測(cè)試在不同的氮?dú)夂肯律蒀rNx薄膜的耐腐蝕性能。
3、結(jié)論
(1)利用中頻磁控濺射技術(shù)成功制備了光滑致密的CrNx涂層。當(dāng)?shù)獨(dú)饬勘容^低時(shí)CrNx涂層主要由CrN和Cr2N兩相組成，但是當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁坷^續(xù)增多時(shí)擇優(yōu)取向由CrN<111>轉(zhuǎn)變?yōu)镃rN<200>。
(2)不同氮?dú)饬髁肯轮苽涞腃rNx涂層具有不同的抗腐蝕能力。當(dāng)N2流量為33%時(shí)CrNx表面致密光滑，抗鹽霧腐蝕達(dá)到200h，具有最佳的耐腐蝕性能。
