一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨损耐腐蚀一体化薄膜材料及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 众所周知，W TiN为代表的过渡族金属氮化物薄膜具备高的硬度和化学惰性，其 广泛应用于民用工业的工模具、刀具等表面抗磨损防护W及大量金属部件的表面装饰防 护。此外，TiN薄膜在航天、核工业等高技术领域运动部件表面也获得了广泛应用，主要用W 提高基体材料表面硬度，改善其耐磨损特性，从而达到延长该类机械运动部件使用寿命，提 高使役效率及工作可靠性的目的。目前，该类薄膜主要采用物理气相沉积的方法制备。物 理气相沉积TiN薄膜一般均存在针孔、微裂纹等组织缺陷。因此，当基体材料为易于发生镑 蚀的碳钢和合金钢等材料时，应用环境中的腐蚀介质就会通过上述组织缺陷形成的路径侵 害到基体材料，使其发生镑蚀，而严重的镑蚀会造成表面TiN薄膜脱落，进而引起相关运动 部件因发生异常磨损而早期失效。所W，针对易于受到腐蚀侵害的金属基体材料W及盐雾、 高温高湿等苛刻应用环境，传统TiN薄膜的应用均受到了限制。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方 法。
[0004] 一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料，其特征在于薄膜材料由Ti、Si和NH 种元素构成，薄膜呈现出共4层的多层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄膜依 次为Ti层、非晶Si层、致密Ti层和TiN层；所述的金属基体材料选自碳钢或合金钢。
[0005] 本发明所述的薄膜材料，其中Ti层厚度为0. 1~0. 5 y m，非晶Si层厚度为0. 1~ 0. 3 y m，致密Ti层厚度为0. 1~0. 3 y m，TiN层厚度为0. 5~1 y m ;薄膜总厚度为0. 8~ 2. 1 y m。
[0006] 一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料的制备方法，其特征在于材料通过磁 控姗射方法在辉光等离子体环境中沉积制备，具体步骤为： 步骤一、祀材制备及安装 1) Ti祀的制备：把Ti锭加工成060~90mm，厚度为4~7mm的圆柱形祀； 2) 多晶Si祀的制备：把Si物料直接模压成060~90mm，厚度为4~7mm的圆柱形 祀； 3) 将Ti祀和多晶Si祀分别安装在磁控姗射锻膜装置祀座，并分别连接磁控姗射电 源； 步骤二、安装基体材料 将洁净的准备锻膜的金属基体材料装入锻膜真空室，将基体材料锻膜表面与Ti及Si 革己材之间的祀距调整至60~100mm ; 步骤H、离子轰击处理 将锻膜真空室抽真空至本底气压《6Xl(T3Pa，然后充入高纯氮气，气压至2.0~ 6. OPa，离子轰击功率0. 2~1 W/cm2,离子轰击处理时间为10~30min ; 步骤四、姗射锻膜 沉积Ti层；向真空室充入氮气至气压为5X l(Ti~2. 0 Pa,对Ti祀通电，调节Ti祀电 压为250~400 V，电流1. 2~1. 5 A，基体材料偏压-50~-200V，实施Ti底层沉积； 沉积非晶Si层；关闭Ti祀，维持氮气气压至5 Xl(Ti~2Pa，对Si祀通电，调节Si祀 电压为250~450 V，电流1. 2^1. 5 A，基体材料偏压-50~-200V，实施非晶Si层沉积； 对非晶Si层氮离子轰击处理；在非晶Si层沉积完成后，关闭Si祀，将基体材料偏压 提高至-500V~-1000V，将氮气气压提高至2. 0~6. 0 Pa,对非晶Si层进行氮离子轰击处 理，轰击时间为10~30min ; 沉积致密Ti层：将氮气气压重新调整至5Xl(ri~2.0 Pa,基体材料偏压调整 至-50~-200V，对Ti祀通电，调节Ti祀电压为250~400 V，电流1. 2~1. 5 A，实施致密 Ti层沉积； 沉积TiN层；在致密Ti层沉积完成后，维持Ti祀电压、电流、氮气气压W及基体材料偏 压不变，并直接通入氮气，至气压2. 0~3. OPa，沉积TiN层，TiN层沉积完成后，关闭Ti祀 电源。锻膜结束后，锻膜基体材料在锻膜真空室内自然冷却至室温，得到TiN/Ti/Si/Ti多 层耐磨耐蚀薄膜材料。
[0007] 本发明的关键在于所有锻层均在常温条件下制备，低沉积温度条件保证了 Si层 形成致密的非晶体结构。在非晶Si层沉积完成后，对非晶Si层进行氮离子轰击处理，该处 理步骤可W对非晶Si层表面形成姗射刻蚀作用，造成非晶Si层表面粗趟度增加，而粗趟的 非晶Si层会进一步提高后续Ti层沉积时的形核密度， 达到Ti层W小晶粒高致密度方式生长，从而沉积形成致密Ti层。
[0008] 本发明金属基体材料选自碳钢或合金钢。
[0009] 本发明金属Ti纯度大于99 wt %。
[0010] 本发明Si纯度大于99 wt 〇/〇。
[0011] 本发明工作氮气纯度大于99. 9 wt %。
[0012] 本发明工作氮气纯度大于99.9 wt %。
[0013] 本发明的薄膜材料具有多层结构，表面TiN层可为薄膜提供高硬度和良好的耐磨 损性能，致密Ti层和非晶Si层可W打断和封闭薄膜中的组织缺陷，避免贯穿膜层的针孔和 微裂纹形成，从而使多层薄膜整体获得对基体材料良好的耐腐蚀防护性能。Ti层可W降低 多层薄膜与基体材料之间的应力，有效提高多层薄膜承载能力和膜-基结合强度。
[0014] 本发明薄膜不仅具备传统TiN薄膜高硬度、高化学惰性的特点，同时具备良好的 耐腐蚀防护性能，适用于各类金属基体材料，包括易于镑蚀金属材料的表面抗磨损耐腐蚀 防护，也适用于盐雾、高温高湿等苛刻应用环境。该薄膜采用多层化结构设计，特别是通过 引入非晶Si层，其诱发形成致密Ti层，产生打断和封闭贯穿薄膜的组织缺陷的结构效应， 从而克服了传统TiN薄膜适用环境及适用基体材料受到局限的缺点，实现了 TiN基薄膜耐 磨损和耐腐蚀功能一体化。
[0015] 该发明薄膜具备W下具体性能： 薄膜硬度；> lOGPa ; 薄膜耐腐蚀防护性能；W 40化钢为基体材料，锻膜试样在温度40 + 3C，相对湿度 65 ± 5%RH条件下胆存96h，试样无镑蚀； 薄膜与钢基体结合强度：采用划痕试验法检测薄膜与钢基体的结合强度，临界载荷 Lc > 30N ; 薄膜承载能力；表面垂直加载1838N，用40倍显微观察，本发明薄膜不破裂不剥落。
【具体实施方式】
[0016] 为了进一步阐明本发明TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料，W下通过具体 的实