N離子不同注入能量對鎂合金表面鈦膜性能的影響

陳 義 張法光 竇忠宇

（1.安順學院電子與信息工程學院，貴州 安順 561000；2.貴州省機電研究設計院，貴州 貴陽 550003）

0 引言

鎂合金是以鎂為基礎加入其他元素組成的合金，鎂合金有許多優異的特性：力學性能好、熔點低、凝固收縮小、密度低、重量輕、比強度高、導熱性能好等，被廣泛應用于航天、汽車、電子、通信等領域［1］。對鎂合金表面進行化學轉化、離子注入等，可以提升其耐腐蝕和耐摩擦性能。肖澤輝等［2］對鎂合金表面進行激光處理，改變了表面合金成分，細化了表面晶粒，從而提高了合金的耐腐蝕和耐摩擦性能。譚雪霏等［3］對AZ3l 鎂合金表面進行鈦離子注入試驗，結果表明，經過鈦離子注入之后，鎂合金表面硬度有所提高，但是鎂合金改性層摩擦因數并沒有降低，耐摩擦性能有所提高。劉洪喜等［4］在AZ31 鎂合金基體的表面進行N、Ti 離子注入試驗，發現經過處理后的鎂合金表層顯微硬度提高了近50%。Zhu 等［5］研究高溫Al 離子注入鎂合金表面，發現存在有利于增加注入離子層與鎂合金基體的結合能力。Wan等［6］將Zn離子注入鎂合金基體中，發現其表面耐摩擦性能明顯增強，但其耐蝕性能有所降低。王成龍［7］采用多弧離子鍍膜技術對鎂及鎂合金的表面進行防護，結果顯示制備的多層膜擁有良好的摩擦耐蝕性能。基于前人的研究結果，本研究采用復合工藝方法在AZ91 鎂合金表面制備Ti/TiN 復合納米涂層，探究不同能量注入工藝對Ti涂層相組織結構及摩擦性能的影響。

1 試驗的基礎

本研究選用的試樣材料為鎂合金AZ91，使用線切割機切割成15 mm×15 mm×5 mm 的試樣，依次使用1 000#、1 500#和2 000#的水磨砂紙進行打磨，再進行拋光處理，在無水乙醇和丙酮溶液中使用超聲波清洗20 min 后冷風吹干裝袋備用。使用磁控濺射工藝在表面制備出1.5 μm 的Ti 涂層，再采用離子注入工藝對鎂合金AZ91表面Ti涂層進行改性制備Ti/TiN 復合納米涂層，從而分析N 離子注入能量對復合涂層表面性能的影響，參數見表1。

表1 離子注入試驗參數

借助TRIM 軟件（2013）模擬了不同注入能量的N 離子在Ti 涂層中的離子濃度分布情況；采用X'Pert PRO衍射儀進行XRD測試，檢測角20°～90°，掃描速度10°/min，步長0.013°/s；用布魯克UMT-2摩擦試驗機，對各能量梯度的AZ91 鎂合金試樣進行摩擦試驗，試驗環境為室溫，摩擦載荷2 N、摩擦時間20 min、摩擦速率100 r/min、摩擦行程12 mm，摩擦副為直徑10 mm 的氧化鋁球，用電子天平對摩擦試驗前后試樣進行稱重，用失重法評估試樣耐磨性能，精確到0.1 mg。

2 試驗結果與分析

2.1 TRIM模擬結果分析

注入離子濃度分布是指注入離子在靶材中的分布情況，其分布情況主要受離子的能量、劑量、性質和靶材性質控制。不同N 離子注入能量下的模擬結果如圖1所示。注入能量20 keV條件下N離子在靶材Ti中的深度為98 nm左右，濃度峰值在60 nm左右；注入能量30 keV 條件下，N 離子在Ti 中的注入深度為133 nm 左右，濃度峰值在90 nm 左右；注入能量40 keV 條件下，注入深度為150 nm 左右，濃度峰值在95 nm 左右。隨著能量的增強，注入離子的偏斜系數由0.188 0 降至0.040 2，說明隨注入能量的增加離子注入深度增加，但增加幅度減小，濃度分布呈現高斯分布。

圖1 不同注入能量下離子濃度分布

2.2 物相分析

不同注入能量的N 離子注入Ti 涂層的X 射線衍射結果如圖2 所示。由圖2 可知，當N 離子注入后，出現了TiN（200）晶面，說明有TiN 新相出現，隨著離子注入能量的增加，TiN 峰強有所增強。在不同的注入能量下，Ti 晶面的擇優取向發生變化，Ti（100）晶面強度減弱。

圖2 不同注入能量下AZ91鎂合金表面Ti涂層的XRD圖譜

2.3 摩擦磨損性能分析

不同離子注入能量的4 組AZ91 鎂合金試樣摩擦數據經處理后如圖3 所示，20 min 的平均摩擦系數和磨損失重量見表2。由圖3 可知，離子注入試樣15 s 后摩擦系數呈現平穩趨勢，鍍鈦試樣經過180 s 才進入穩定磨損階段，結果表明，平均摩擦系數隨注入能量的增加呈現先減小后增大的趨勢，離子注入試樣的摩擦系數均小于鍍鈦試樣，且注入能量為30 keV 時平均摩擦系數值最低。摩擦磨損性能強烈依賴于材料表面的硬度、強度等物理性能［8］，摩擦系數的降低與N 離子注入深度、硬度、硬質相TiN 出現有關。較高的注入能量在表面形成了固溶體，進而在表層形成空隙，可能導致硬度下降［9］，離子注入過程中產生輻照強化，造成強化效果。由表2 磨損失重結果表明，離子注入后形成的Ti/TiN 復合納米涂層有助于耐磨性能的提高，注入能量為30 keV時其磨損量最小，這與摩擦系數的表現一致。

圖3 不同注入能量下AZ91鎂合金表面Ti涂層摩擦系數

表2 不同注入能量的摩擦系數平均值及磨損失重量

3 結論

本研究采用磁控濺射和離子注入的方法在鎂合金表面制備了Ti/TiN 復合涂層，探討了不同N 離子注入能量對鍍鈦涂層表面相組織和摩擦磨損性能的影響，得到以下結論。

①離子注入后鎂合金表面Ti 膜出現新的物相TiN，隨著注入能量的增加峰強增加。離子注入模擬結果表明，隨注入能量的增加，離子注入深度和峰值濃度增大，但增加幅度減小。

②N離子處理后鎂合金表面的Ti/TiN復合涂層摩擦系數降低，呈現先減小后增大的趨勢，磨損量減小，說明表面涂層的耐磨損性能得到提高。在注入能量為30 keV 時摩擦系數最小，磨損失重量最小。