N离子不同注入能量对镁合金表面钛膜性能的影响

2023-10-10张法光窦忠宇

河南科技 2023年16期

陈义张法光窦忠宇

（1.安顺学院电子与信息工程学院，贵州安顺 561000；2.贵州省机电研究设计院，贵州贵阳 550003）

0 引言

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金，镁合金有许多优异的特性：力学性能好、熔点低、凝固收缩小、密度低、重量轻、比强度高、导热性能好等，被广泛应用于航天、汽车、电子、通信等领域［1］。对镁合金表面进行化学转化、离子注入等，可以提升其耐腐蚀和耐摩擦性能。肖泽辉等［2］对镁合金表面进行激光处理，改变了表面合金成分，细化了表面晶粒，从而提高了合金的耐腐蚀和耐摩擦性能。谭雪霏等［3］对AZ3l 镁合金表面进行钛离子注入试验，结果表明，经过钛离子注入之后，镁合金表面硬度有所提高，但是镁合金改性层摩擦因数并没有降低，耐摩擦性能有所提高。刘洪喜等［4］在AZ31 镁合金基体的表面进行N、Ti 离子注入试验，发现经过处理后的镁合金表层显微硬度提高了近50%。Zhu 等［5］研究高温Al 离子注入镁合金表面，发现存在有利于增加注入离子层与镁合金基体的结合能力。Wan等［6］将Zn离子注入镁合金基体中，发现其表面耐摩擦性能明显增强，但其耐蚀性能有所降低。王成龙［7］采用多弧离子镀膜技术对镁及镁合金的表面进行防护，结果显示制备的多层膜拥有良好的摩擦耐蚀性能。基于前人的研究结果，本研究采用复合工艺方法在AZ91 镁合金表面制备Ti/TiN 复合纳米涂层，探究不同能量注入工艺对Ti涂层相组织结构及摩擦性能的影响。

1 试验的基础

本研究选用的试样材料为镁合金AZ91，使用线切割机切割成15 mm×15 mm×5 mm 的试样，依次使用1 000#、1 500#和2 000#的水磨砂纸进行打磨，再进行抛光处理，在无水乙醇和丙酮溶液中使用超声波清洗20 min 后冷风吹干装袋备用。使用磁控溅射工艺在表面制备出1.5 μm 的Ti 涂层，再采用离子注入工艺对镁合金AZ91表面Ti涂层进行改性制备Ti/TiN 复合纳米涂层，从而分析N 离子注入能量对复合涂层表面性能的影响，参数见表1。

表1 离子注入试验参数

借助TRIM 软件（2013）模拟了不同注入能量的N 离子在Ti 涂层中的离子浓度分布情况；采用X'Pert PRO衍射仪进行XRD测试，检测角20°～90°，扫描速度10°/min，步长0.013°/s；用布鲁克UMT-2摩擦试验机，对各能量梯度的AZ91 镁合金试样进行摩擦试验，试验环境为室温，摩擦载荷2 N、摩擦时间20 min、摩擦速率100 r/min、摩擦行程12 mm，摩擦副为直径10 mm 的氧化铝球，用电子天平对摩擦试验前后试样进行称重，用失重法评估试样耐磨性能，精确到0.1 mg。

2 试验结果与分析

2.1 TRIM模拟结果分析

注入离子浓度分布是指注入离子在靶材中的分布情况，其分布情况主要受离子的能量、剂量、性质和靶材性质控制。不同N 离子注入能量下的模拟结果如图1所示。注入能量20 keV条件下N离子在靶材Ti中的深度为98 nm左右，浓度峰值在60 nm左右；注入能量30 keV 条件下，N 离子在Ti 中的注入深度为133 nm 左右，浓度峰值在90 nm 左右；注入能量40 keV 条件下，注入深度为150 nm 左右，浓度峰值在95 nm 左右。随着能量的增强，注入离子的偏斜系数由0.188 0 降至0.040 2，说明随注入能量的增加离子注入深度增加，但增加幅度减小，浓度分布呈现高斯分布。

图1 不同注入能量下离子浓度分布

2.2 物相分析

不同注入能量的N 离子注入Ti 涂层的X 射线衍射结果如图2 所示。由图2 可知，当N 离子注入后，出现了TiN（200）晶面，说明有TiN 新相出现，随着离子注入能量的增加，TiN 峰强有所增强。在不同的注入能量下，Ti 晶面的择优取向发生变化，Ti（100）晶面强度减弱。

图2 不同注入能量下AZ91镁合金表面Ti涂层的XRD图谱

2.3 摩擦磨损性能分析

不同离子注入能量的4 组AZ91 镁合金试样摩擦数据经处理后如图3 所示，20 min 的平均摩擦系数和磨损失重量见表2。由图3 可知，离子注入试样15 s 后摩擦系数呈现平稳趋势，镀钛试样经过180 s 才进入稳定磨损阶段，结果表明，平均摩擦系数随注入能量的增加呈现先减小后增大的趋势，离子注入试样的摩擦系数均小于镀钛试样，且注入能量为30 keV 时平均摩擦系数值最低。摩擦磨损性能强烈依赖于材料表面的硬度、强度等物理性能［8］，摩擦系数的降低与N 离子注入深度、硬度、硬质相TiN 出现有关。较高的注入能量在表面形成了固溶体，进而在表层形成空隙，可能导致硬度下降［9］，离子注入过程中产生辐照强化，造成强化效果。由表2 磨损失重结果表明，离子注入后形成的Ti/TiN 复合纳米涂层有助于耐磨性能的提高，注入能量为30 keV时其磨损量最小，这与摩擦系数的表现一致。