TiAlN/CrN多层膜的组织结构及耐蚀性机理
发布时间：2021-06-30 21:56
目的研究Ti AlN/CrN多层膜及Ti AlN、Cr N单一膜层的微观组织和电化学性能区别,分析不同结构薄膜材料的耐腐蚀性影响因素。基于电化学参数、组织结构和腐蚀形貌特征,为开发新型腐蚀性薄膜提供理论依据。方法采用多弧离子镀方法,在316不锈钢基底上先沉积150 nm Cr薄膜作为过渡层,然后交替沉积Cr N薄膜和Ti AlN薄膜,制备单层厚度为10 nm的Ti AlN/CrN多层膜。作为对比,制备单一Ti AlN、CrN薄膜。通过SEM、XRD表征薄膜断面形貌、组织结构,并分析耐蚀机理,结合极化曲线和阻抗谱对三种涂层进行电化学性能分析,最后对涂层进行浸泡腐蚀试验。结果 Ti Al N/Cr N纳米多层膜为面心立方结构,呈现共格外延生长,且呈（200）择优取向。纳米多层膜的动电位极化曲线测量结果与不锈钢基体和单层薄膜相比,其腐蚀电位正移为-0.36 V,腐蚀电流密度降低为0.501μA/cm2,极化电阻为120 kΩ·cm2。阻抗谱试验结果表明,相比较于单层膜和基体,Ti Al N/Cr N多层膜的CPE值最低,为29.83×10...
【文章来源】：表面技术. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
三种涂层的XRD测试结果
采用多弧离子镀沉积装置（Oerlikon Balzers mini），分别在单晶硅片(100)和镜面抛光后的不锈钢基体（10 mm×10 mm×6 mm）上沉积TiAlN、CrN单一膜以及调制周期为20 nm的TiAlN/CrN多层膜。所用靶材为粉末冶金方法制备的Cr和Ti0.5Al0.5合金靶材，工作气体采用高纯N2气和Ar气，以N2为反应气体，Ar为溅射气体，沉积温度为300℃。装置配有两个圆形阴极弧源，沉积单一薄膜时放置同种靶材，即TiAlN涂层使用Ti0.5Al0.5合金靶材，CrN涂层使用纯Cr靶材，TiAlN/CrN涂层分别放置两个靶材，通过控制时间来控制膜厚。图1是多层涂层镀膜时的示意图。基体先用丙酮和无水酒精清洗10 min，烘干后装入真空室。预热基体至300℃，首先对基体进行镀膜前的刻蚀清洗，炉腔真空度至1.0 Pa，通入高纯Ar气，基体偏压150 V，刻蚀靶材电流80 A，清洗时间20 min；然后进行镀膜，通入高纯N2气，总气压保持在3.0 Pa。在沉积TiAlN/CrN纳米多层膜前，首先在基体上沉积约150 nm厚的Cr过渡层，以提高薄膜和基体之间的结合力。通过控制两个靶材的燃弧时间来调整膜层厚度。在相同的镀膜条件下制备单层的TiAlN和CrN涂层作为参考。详细的沉积工艺参数如表1所示。
图3a为多弧离子镀制备的单一涂层TiAlN、CrN以及纳米多层涂层TiAlN/CrN的掠入射XRD测试结果。由图可知，三种涂层的XRD谱相似，为面心立方结构（face centered cubic,fcc），主要呈现(111)、(200)、(220)和(311)四种晶面的生长取向。根据公式(1)，对涂层的掠入射XRD测试结果和标准粉末卡片对比进行织构计算，得出四种晶面的织构系数如图3b所示。从图3b可以看出，CrN涂层(111)、(200)晶面的织构系数大于1，说明择优取向为(111)和(200)，其中(200)晶面生长更快。TiAlN涂层具有(111)择优取向，对于B1晶格结构材料，(200)晶面具有最低能[14]，但是对于TiAlN涂层不是择优取向。这是由于Al原子占据TiN晶格中Ti原子的位置引起晶格畸变，为了缓解晶格畸变，晶格的生长转变为能量更高的(111)晶面。而TiAlN/CrN纳米多层涂层中，TiAlN涂层的生长不断地受到CrN涂层的打断，导致涂层的界面能量密度提高，原子扩散到能量较低的位置上形核长大，从而表现出(200)面择优生长。图3 三种涂层的XRD测试结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]温度对纯Cr涂层表面形貌和抗腐蚀性能的影响[J]. 王浩然,邱长军,曾小安,张文,王晓婧,刘艳红,李怀林. 表面技术. 2017(06)
[2]多弧离子镀沉积Ti/TiN多层薄膜的摩擦磨损及电化学性能[J]. 史鑫,戴剑锋,吴贵智,张广安,陈建敏. 中国表面工程. 2016(03)
[3]Nanoindentation analysis of TiN,TiAlN,and TiAlSiN coatings prepared by cathode ion plating[J]. KONG DeJun,FU GuiZhong. Science China（Technological Sciences）. 2015(08)
本文编号：3258568
【文章来源】：表面技术. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
三种涂层的XRD测试结果
采用多弧离子镀沉积装置（Oerlikon Balzers mini），分别在单晶硅片(100)和镜面抛光后的不锈钢基体（10 mm×10 mm×6 mm）上沉积TiAlN、CrN单一膜以及调制周期为20 nm的TiAlN/CrN多层膜。所用靶材为粉末冶金方法制备的Cr和Ti0.5Al0.5合金靶材，工作气体采用高纯N2气和Ar气，以N2为反应气体，Ar为溅射气体，沉积温度为300℃。装置配有两个圆形阴极弧源，沉积单一薄膜时放置同种靶材，即TiAlN涂层使用Ti0.5Al0.5合金靶材，CrN涂层使用纯Cr靶材，TiAlN/CrN涂层分别放置两个靶材，通过控制时间来控制膜厚。图1是多层涂层镀膜时的示意图。基体先用丙酮和无水酒精清洗10 min，烘干后装入真空室。预热基体至300℃，首先对基体进行镀膜前的刻蚀清洗，炉腔真空度至1.0 Pa，通入高纯Ar气，基体偏压150 V，刻蚀靶材电流80 A，清洗时间20 min；然后进行镀膜，通入高纯N2气，总气压保持在3.0 Pa。在沉积TiAlN/CrN纳米多层膜前，首先在基体上沉积约150 nm厚的Cr过渡层，以提高薄膜和基体之间的结合力。通过控制两个靶材的燃弧时间来调整膜层厚度。在相同的镀膜条件下制备单层的TiAlN和CrN涂层作为参考。详细的沉积工艺参数如表1所示。
图3a为多弧离子镀制备的单一涂层TiAlN、CrN以及纳米多层涂层TiAlN/CrN的掠入射XRD测试结果。由图可知，三种涂层的XRD谱相似，为面心立方结构（face centered cubic,fcc），主要呈现(111)、(200)、(220)和(311)四种晶面的生长取向。根据公式(1)，对涂层的掠入射XRD测试结果和标准粉末卡片对比进行织构计算，得出四种晶面的织构系数如图3b所示。从图3b可以看出，CrN涂层(111)、(200)晶面的织构系数大于1，说明择优取向为(111)和(200)，其中(200)晶面生长更快。TiAlN涂层具有(111)择优取向，对于B1晶格结构材料，(200)晶面具有最低能[14]，但是对于TiAlN涂层不是择优取向。这是由于Al原子占据TiN晶格中Ti原子的位置引起晶格畸变，为了缓解晶格畸变，晶格的生长转变为能量更高的(111)晶面。而TiAlN/CrN纳米多层涂层中，TiAlN涂层的生长不断地受到CrN涂层的打断，导致涂层的界面能量密度提高，原子扩散到能量较低的位置上形核长大，从而表现出(200)面择优生长。图3 三种涂层的XRD测试结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]温度对纯Cr涂层表面形貌和抗腐蚀性能的影响[J]. 王浩然,邱长军,曾小安,张文,王晓婧,刘艳红,李怀林. 表面技术. 2017(06)
[2]多弧离子镀沉积Ti/TiN多层薄膜的摩擦磨损及电化学性能[J]. 史鑫,戴剑锋,吴贵智,张广安,陈建敏. 中国表面工程. 2016(03)
[3]Nanoindentation analysis of TiN,TiAlN,and TiAlSiN coatings prepared by cathode ion plating[J]. KONG DeJun,FU GuiZhong. Science China（Technological Sciences）. 2015(08)
本文编号：3258568
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