AZ31镁合金表面磁控溅射碳氮化钛薄膜及其性能研究

论文摘要

近年来，镁及其合金因储量丰富，性能优良受到人们的关注，广泛应用于航空航天、微电子产业、汽车工业。但是，镁及其合金的耐腐蚀性能较差，这一缺陷限制了其广泛应用。提高镁合金的耐腐性是当前镁合金产业的重要课题，目前的主要方法有优化合金工艺及表面涂层技术。磁控溅射技术由于具有沉积薄膜质量好、技术简单、对环境友好等特点被认为是制备表面涂层的最佳方法之一。本论文研究采用磁控溅射技术在AZ31镁合金表面沉积碳氮化钛薄膜，使用双靶反应溅射及单一化合物靶溅射两种沉积方式。采用场发射扫描电镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪及台阶仪分别研究了薄膜的表面形貌、微观结构、化学组成、薄膜厚度以及表面粗糙度。通过电化学测试研究了碳氮化钛薄膜的耐腐蚀性，并研究了制备工艺参数对所制碳氮化钛薄膜性能的影响。采用划格实验法评定了碳氮化钛薄膜与镁合金基体间的结合力。研究表明：本实验采用两种沉积方式制备的碳氮化钛薄膜均为非晶结构，膜基附着力良好，均为5B等级。当C靶溅射功率为50W、Ti靶溅射功率为50W、氮气流量为20sccm、溅射时间为4.5h时，双靶反应溅射制备的碳氮化钛薄膜耐腐蚀性能最佳，腐蚀电流密度(1.664×10-6A/cm2)比镁合金基体(1.785×10-5A/cm2)降低了1个数量级。单一TiCN化合物靶制备的碳氮化钛薄膜也能够显著提高镁合金基体耐腐蚀性，腐蚀电流密度(4.307×10-6A/cm2)比镁合金基体(1.785×10-5A/cm2)降低接近1个数量级。两种不同沉积方式制备的碳氮化钛薄膜在表面形貌、化学组成等方面都有差异。反应溅射制备的碳氮化钛薄膜表面致密、无明显缺陷，而化合物靶制备的碳氮化钛薄膜表面有少量缺陷。反应制备的碳氮化钛薄膜耐腐蚀效果更好，但工艺较复杂、成本较高；而化合物靶制备的碳氮化钛薄膜工艺简单、成本低，需进一步优化制备工艺，从而提高碳氮化钛薄膜的耐腐蚀性能。两种方法制备的碳氮化钛薄膜都能在一定程度上提高镁合金的表面硬度，进一步拓展了碳氮化钛薄膜在提高镁合金表面耐腐蚀性能方面的应用范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁及其合金
• 1.2.1 镁及其合金的特性与应用
• 1.2.2 镁及其合金的腐蚀研究
• 1.2.3 镁及其合金的表面防护膜研究现状
• 1.3 碳氮化钛
• 1.3.1 碳氮化钛的特性与应用
• 1.3.2 碳氮化钛的研究现状
• 1.3.3 碳氮化钛的制备
• 1.4 薄膜的生长与应力
• 1.4.1 薄膜的生长[51]
• 1.4.2 薄膜的应力
• 1.5 课题的研究目的及意义
• 2 实验方法及测试手段
• 2.1 仪器及原材料
• 2.2 碳氮化钛硬质薄膜的制备
• 2.2.1 镁合金表面预处理
• 2.2.2 反应碳氮化钛薄膜的制备
• 2.2.3 碳氮化钛靶制备薄膜
• 2.2.4 磁控溅射原理[58-60]
• 2.3 薄膜的性能测试
• 2.3.1 电化学检测
• 2.3.2 表面形貌检测
• 2.3.3 表面组成分析
• 2.3.4 微观结构分析
• 2.3.5 膜基结合力检测
• 2.3.6 薄膜厚度、表面粗糙度及硬度检测
• 3 反应溅射制备碳氮化钛薄膜及性能研究
• 3.1 实验方案
• 3.2 制备工艺参数对薄膜性能的影响
• 3.2.1 钛靶溅射功率对碳氮化钛薄膜的性能影响
• 3.2.2 碳靶溅射功率对碳氮化钛薄膜性能的影响
• 3.2.3 氮气流量对碳氮化钛薄膜性能的影响
• 3.3 碳氮化钛薄膜的表征
• 3.3.1 碳氮化钛薄膜结构分析
• 3.3.2 碳氮化钛薄膜的表面成分分析
• 3.3.3 碳氮化钛薄膜的表面形貌分析
• 3.3.4 碳氮化钛薄膜的膜基结合力分析
• 3.4 碳氮化钛薄膜的耐腐蚀性能分析
• 3.4.1 碳氮化钛镀膜样品的极化曲线
• 3.4.2 碳氮化钛镀膜样品的交流阻抗谱
• 3.5 碳氮化钛薄膜厚度、表面粗糙度以及硬度检测
• 3.6 本章小结
• 4 碳氮化钛靶直接制备薄膜的研究
• 4.1 实验方案
• 4.2 化合物薄膜的表征
• 4.2.1 化合物薄膜的结构分析
• 4.2.2 化合物薄膜的表面成分分析
• 4.2.3 化合物薄膜的表面形貌分析
• 4.2.4 化合物薄膜的膜基结合力测试
• 4.2.5 化合物薄膜的耐腐蚀性能分析
• 4.2.6 化合物薄膜厚度、表面粗糙度以及硬度检测
• 4.3 不同制备方法的碳氮化钛薄膜比较
• 4.3.1 薄膜性能的比较
• 4.3.2 薄膜制备工艺比较
• 4.3.3 薄膜制备成本比较
• 4.4 本章小结
• 5 主要结论
• 5.1 主要结论
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录