试验法》；每个样品测试五次，最终膜层结合力取五次测试结果的平均值。
[0020]本发明实施例中采用在模拟人体液中进行了摩擦磨损性能测试实验，具体实验方法如下:采用设备CSM-Tribomter型精密摩擦磨损试验机，模拟人体液配比是:8克/升NaCl，0.4 克 / 升 KCl，0.1 克 / 升 MgSO4.7H20，0.1 克 / 升 MgCl.6H20，0.14 克 / 升 CaCl2,0.154克/升NaHPO4,0.06克/升KH2PO4,1升去离子水；对磨材料采用直径6毫米的Si3N4球，载荷10牛顿，频率I赫兹，单向滑移距离10毫米，磨损时间2小时；设备自动采集摩擦系数变化数据，并生成曲线；达到稳定状态摩擦系数越小，说明镀膜的减磨效果越好；磨痕宽度越小，说明磨损量越小。
[0021]本发明实施例中将基体表面清洁是将基体先放置在丙酮内施加超声波清洗，然后再放置在去离子水中施加超声波清洗，使表面清洁。
[0022]本发明实施例中采用的磁控溅射设备为CD-800多功能真空镀膜机。
[0023]本发明实施例中采用的高纯Ti靶材纯度为99.99%ο
[0024]本发明实施例中采用的氩气纯度为99.99%，氮气纯度为99.99%。
[0025]实施例1
采用Ti6A14V合金作为基体，将基体表面清洁后置于磁控溅射设备的真空室内，加热至400°C，在真空度0.0OlPa条件下，保温1min ；
向真空室内通入氩气并保持流通，氩气的压力为0.3Pa，然后对基体进行离子轰击清洗表面，时间为1min ；
采用金属Ti作为靶材，对靶材进行离子轰击，向基体沉积Ti附着层，时间为5min，获得具有Ti附着层的基体；
向真空室内通入氮气并保持氮气流通，对靶材进行离子轰击，向具有Ti附着层的基体表面沉积TiN，沉积TiN过程分为5级，此过程中在氩气流量保持不变的情况下，氮气与氩气的流量比逐级增大，沉积时间逐级加长；各级沉积时氮气与氩气的流量比分别为0.07、0.10,0.15,0.22和0.30，各级沉积时间分别为5、11、13、16和30min ;总沉积时间在75min ；沉积完成后在基体表面获得钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜；
离子轰击时的电压为450V，电流为1.8A ；
钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜为Ti基TiN纳米粒子梯度膜，TiN纳米粒子镶嵌在Ti基体薄膜中，TiN纳米粒子的体积分数沿基体到膜表面方向梯度增加，总厚度在2.5 ym ;显微硬度15GPa，结合力68N;
钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜分为5层，与基体连接的第一层中TiN纳米粒子镶嵌在Ti基体薄膜中，从第一层到最后一层纳米TiN的体积分数逐层梯度增加；
钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜的摩擦系数-滑移时间曲线如图1所示，经摩擦试验后的磨痕宽度如图2所示，稳定摩擦系数0.24，磨痕宽度415微米。
[0026]实施例2
方法同实施例1，不同点在于:
(1)加热至350°C，在真空室内真空度0.003Pa条件下，保温15min ；
(2)氩气的压力为0.4Pa，离子轰击清洗表面时间为8min ；
(3)沉积Ti附着层时间为1min；
(4)沉积TiN过程分为6级，各级沉积时氮气与氩气的流量比分别为0.07,0.10,0.13、0.16,0.19和0.30，各级沉积时间分别为4、5、6、8、17和60min ;总沉积时间在10min ；
(5)离子轰击时的电压为420V，电流为1.6A ；
(6)钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜分为6层，总厚度3.3 ym ;显微硬度17GPa，结合力
80N ；
钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜的摩擦系数-滑移时间曲线如图1所示，经摩擦试验后的磨痕宽度如图3所示，稳定摩擦系数0.27，磨痕宽度330微米。
[0027]实施例3
方法同实施例1，不同点在于:
(1)加热至320°C，在真空室内真空度0.005Pa条件下，保温20min ；
(2)氩气的压力为0.5Pa，离子轰击清洗表面时间为6min ；
(3)沉积Ti附着层时间为15min；
(4)沉积TiN过程分为8级，各级沉积时氮气与氩气的流量比分别为0.07,0.09,0.12、0.14,0.16,0.18,0.20 和 0.30，各级沉积时间分别为 3、5、7、10、15、20、30 和 60min ;总沉积时间在150min ；
(5)离子轰击时的电压为390V，电流为1.4A ；
(6)钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜分为8层，总厚度4.8 μ m ;显微硬度21GPa，结合力
73N ；
钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜的摩擦系数-滑移时间曲线如图1所示，经摩擦试验后的磨痕宽度如图4所示，稳定摩擦系数0.21，磨痕宽度250微米，划痕形貌及对应声发射曲线如图8所示。
[0028]实施例4
方法同实施例1，不同点在于:
Cl)真空室内真空度0.008Pa条件下，加热至280°C，保温30min ；
(2)氩气的压力为0.6Pa，离子轰击清洗表面时间为5min ；
(3)沉积Ti附着层时间为20min；
(4)沉积TiN过程分为10级，各级沉积时氮气与氩气的流量比分别为0.07、0.08、0.09、0.10,0.12,0.14,0.18,0.22,0.26,0.30，各级沉积时间分别为 2、3、4、5、6、7、8、10、15 和120min ;总沉积时间180min ；
(5)离子轰击时的电压为370V，电流为1.2 A ;
(6)钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜分为10层，总厚度6.0 μ m ;显微硬度19GPa，结合力 74N;
摩擦系数-滑移时间曲线如图1所示，经摩擦试验后的磨痕宽度如图5所示，稳定摩擦系数0.25，磨痕宽度230微米。钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜的表面形貌如图6所示，横截面形貌如图7所示。
【主权项】
1.一种钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜，为Ti基TiN纳米粒子梯度膜，TiN纳米粒子镶嵌在Ti基体薄膜中，其特征在于:TiN纳米粒子的体积分数沿基体到膜表面方向梯度增加，总厚度在2.5-6.0ym0
2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜，其特征在于钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜分为5~10层，与基体连接的第一层中TiN纳米粒子镶嵌在Ti基体薄膜中，从第一层到最后一层纳米TiN的体积分数逐层梯度增加。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜，其特征在于钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜的显微硬度15~21GPa，结合力68~80N。
4.一种权利要求1所述的钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜的制备方法，其特征在于按以下步骤进行: (1)采用Ti6A14V合金作为基体，将基体表面清洁后置于磁控溅射设备的真空室内，加热至280~400°C，在真空度0.001-0.008Pa条件下，保温10~30min ； (2)向真空室内通入氩气并保持流通，氩气的压力为0.3-0.6Pa，然后对基体进行离子轰击清洗表面，时间为5~10min ； (3)采用高纯Ti作为靶材，对靶材进行离子轰击，向基体沉积Ti附着层，时间为5~20min，获得具有Ti附着层的基体； (4)向真空室内通入氮气并保持氮气流通，对靶材进行离子轰击，向具有Ti附着层的基体表面沉积TiN，沉积TiN过程分为5~10级，此过程中在氩气流量保持不变的情况下，氮气与氩气的流量比逐级增大，沉积时间逐级加长；其中第一级沉积氮气与氩气的流量比为0.07，最后一级沉积氮气与氩气的流量比为0.3，第一级沉积时间为2~5min，最后一级沉积时间为30~120min ;总沉积时间在75~180min ;沉积完成后在基体表面获得钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜。
5.根据权利要求4所述的钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜的制备方法，其特征在于步骤(2)、(3)和(4)中的离子轰击时的电压为370-450V,电流为1.2-1.8A。
【专利摘要】一种钛合金表面纳米Ti/TiN梯度膜及其制备方法，属于材料技术领域，梯度膜为Ti基TiN纳米粒子梯度膜，TiN纳米粒子镶嵌在Ti基体薄膜中，TiN纳米粒子的体积分数沿基体到膜表面方向梯度增加，总厚度在2.5~6.0μm。制备方法为：（1）将基体在真空条件下加热保温；（2）氩气压力为0.3~0.6Pa，进行离子轰击清洗表面；（3）向基体沉积Ti附着层；（4）通入氮气，向具有Ti附着层的基体表面沉积TiN，沉积TiN过程分为5~10级，氮气与氩气的流量比逐级增大，沉积时间逐级加长。本发明的产品与基体存在天然良好的晶格匹配关系以及结合性；表面光滑，致密度高，有利于提高抗磨损性能；制备工艺简单，易于操作。
【IPC分类】B82Y40-00, B82Y30-00, C23C14-06, C23C14-35
【公开号】CN104862657
【申请号】CN201510185075
【发明人】崔文芳, 秦高悟, 曹栋
【申请人】东北大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月17日