镁锂合金表面CrN薄膜的制备与研究

论文摘要

镁锂合金是目前为止最轻的金属结构材料,具有密度小,比刚度、比强度高,减震性好等优点,广泛应用于电子产品、汽车及航空航天等领域;但是镁锂合金的耐腐蚀性差,阻碍了它本身的广泛应用。目前许多研究者对镁锂合金的腐蚀做了相关的研究,主要采用的处理方法有:物理方法、化学转化、化学镀、阳极氧化等。磁控溅射技术具有沉积速率高、薄膜质量好、工艺简单、对环境友好等优点成为薄膜工业化应用的主要方法。本文采用磁控溅射法在镁锂合金表面制备了CrN薄膜,分析了氮气流量,基底温度,溅射功率等参数对薄膜结构和性能的影响,优化了薄膜制备工艺。利用优化后的工艺参数制备了CrN/ZrN多层膜,并与单层CrN和单层ZrN薄膜进行对比,利用X射线衍射仪（XRD）、S-4800冷场发射电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）来表征薄膜的物相结构、以及表面形貌。利用电化学工作站和析氢实验来评价薄膜在腐蚀溶液中的抗腐蚀性能。讨论了合金以及薄膜的腐蚀机制。研究结果表明:（1）在制备CrN薄膜时,氮气流量、基底温度及溅射功率都存在一最佳参数,过高和过低的工艺参数均使薄膜质量变差,薄膜的防腐性能也因工艺参数对薄膜缺陷、孔隙密度和膜基附着力产生作用而受到影响,工艺参数分别为20sccm、100℃和200W时,薄膜防腐性能最佳。（2）镁锂合金表面溅射沉积的氮化铬和氮化锆薄膜都呈柱状结构,且都存在择优取向生长。（3）单层氮化铬薄膜对镁锂合金的保护效果要优于单层氮化锆薄膜,薄膜沉积过程中产生的微裂纹是膜基系统发生腐蚀的主要场所,而析氢反应加快了这些缺陷处膜层的破坏,最终导致整个膜基系统的失效。（4）在由多靶磁控溅射制备的氮化铬/氮化锆多层膜中,膜层在微观尺度上是致密的。多层膜中的氮化铬薄膜与单层氮化铬膜相比更倾向于（111）面择优生长。（5）腐蚀试验表明,多层膜的防护性能优于单层膜,多层膜中制备工艺引起的随机缺陷是导致其破坏的主要因素,膜层的缺陷是膜基系统腐蚀破坏的快速通道,整个系统的失效由腐蚀源的扩展速度决定,而认为膜基系统的腐蚀破坏是一种短路腐蚀破坏行为。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 镁及镁合金的概述
• 1.1.2 镁锂合金
• 1.1.3 镁锂合金的应用
• 1.2 镁锂合金的腐蚀机理
• 1.2.1 镁的腐蚀机理
• 1.2.2 镁锂合金的腐蚀行为
• 1.3 镁锂合金的表面防护技术
• 1.3.1 化学转化
• 1.3.2 阳极氧化
• 1.3.3 电镀与化学镀
• 1.3.4 溶胶-凝胶涂层
• 1.3.5 气相沉积层
• 1.4 氮化铬薄膜的研究进展
• 1.5 本文主要研究的目的与意义
• 第2章 实验设备及分析方法
• 2.1 磁控溅射技术
• 2.1.1 溅射机理及特点
• 2.1.2 基本溅射类型
• 2.2 薄膜沉积系统
• 2.3 样品的制备流程
• 2.3.1 基片的预处理
• 2.3.2 镀膜工艺流程
• 2.4 薄膜表征技术
• 2.4.1 膜层结构分析
• 2.4.2 表面形貌分析
• 2.4.3 腐蚀试验
• 2.5 小结
• 第3章 镁锂合金表面CrN 薄膜的研究
• 3.1 CrN 薄膜的制备
• 3.2 工艺参数对薄膜结构和性能的影响
• 3.2.1 氮气流量对氮化铬薄膜结构和性能的影响
• 3.2.2 基底温度对氮化铬薄膜结构和性能的影响
• 3.2.3 溅射功率对氮化铬薄膜结构和性能的影响
• 3.2.4 其它溅射因素对氮化铬薄膜性能的影响
• 3.3 小结
• 第4章 Cr-Zr-N 系统中单层和多层膜的研究
• 4.1 引言
• 4.2 薄膜的制备过程
• 4.3 薄膜的性能分析
• 4.3.1 薄膜的成分和结构分析
• 4.3.2 薄膜形貌的分析
• 4.3.3 薄膜的抗腐性能
• 4.3.4 薄膜的腐蚀机理分析
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文