【摘 要】
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Ti6Al4V合金由于机械性能好、电化学性质稳定被广泛地应用在航空航天、汽车、生物医学和海洋舰船等领域,在湿热盐环境下,Ti6Al4V合金在电化学作用下发生腐蚀,造成大量的资源浪费。氮化钛涂层具有良好的电化学稳定性和耐磨性能,被广泛地作为耐蚀和耐磨涂层,然而由于氮化钛柱状生长等自身结构缺陷,腐蚀离子会渗透到内部破坏其结构,目前改变氮化钛耐蚀性能的有效方法是添加中间金属层来抑制其柱状生长。因此,本文
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Ti6Al4V合金由于机械性能好、电化学性质稳定被广泛地应用在航空航天、汽车、生物医学和海洋舰船等领域,在湿热盐环境下,Ti6Al4V合金在电化学作用下发生腐蚀,造成大量的资源浪费。氮化钛涂层具有良好的电化学稳定性和耐磨性能,被广泛地作为耐蚀和耐磨涂层,然而由于氮化钛柱状生长等自身结构缺陷,腐蚀离子会渗透到内部破坏其结构,目前改变氮化钛耐蚀性能的有效方法是添加中间金属层来抑制其柱状生长。因此,本文采用磁控溅射法在Ti6Al4V合金表面沉积Ti/TiN复合涂层,通过研究调制周期和调制周期比Ti/TiN复合涂层耐蚀性能和硬度的影响,最后确定最佳的Ti/TiN复合涂层结构,明确耐蚀机理和增硬机理,取得如下成果:首先,确定磁控溅射制备单层氮化钛的最佳工艺参数。设计4因素4水平的正交试验,分别研究功率、压强、基底加热温度和氩气/氮气流量比对氮化钛表面电阻和沉积速率的影响,确定了最佳沉积参数组合,并确定在此参数下氮化钛的沉积速率,以便后面精确控制Ti/TiN复合涂层的厚度。其次,在第一步确定的最佳参数条件下,采用磁控溅射法沉积具有不同的调制周期的Ti/TiN复合涂层,调制周期分别为1、4、10、16、32,并采用XRD和SEM对Ti/TiN复合涂层进行微观表征,结果表明,调制周期的增大,有助于细化Ti/TiN复合涂层表面颗粒尺寸,减少表面缺陷,增加致密度;采用电化学阻抗谱对Ti/TiN复合涂层进行分析后发现,增大调制周期,可以有效地提升涂层表面电阻,提升耐蚀性能;采用纳米压痕仪对不同调制周期的Ti/TiN复合涂层进行硬度分析,发现调制周期增加,涂层硬度会增加,调制周期为16时,硬度值最大。再次,采用磁控溅射制备具有不同调制周期比的Ti/TiN复合涂层,调制周期比为2:1、1:1和1:2,并采用电化学阻抗谱技术和纳米压痕技术进行表征,结果显示,当调制周期比为2:1时,Ti/TiN复合涂层的电阻最大,但是硬度最小,继续制备了调制周期比为4:1和1:4的Ti/TiN复合涂层,分析发现增大调制周期比,Ti/TiN复合涂层电阻并没有提升,这说明适当的增大钛层厚度,有助于提升涂层电阻,同时钛层较软,也会降低Ti/TiN复合涂层的硬度。最后,采用电化学阻抗谱和动电位极化测试分别对Ti6Al4V合金、单层Ti、单层TiN和Ti/TiN复合涂层进行分析,结果显示,表面电阻Ti/TiN复合涂层最大,其次是单层Ti,Ti6Al4V合金最小,Ti/TiN复合涂层的保护效率高达90.7%,能够有效地保护基底。
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