简介概要

利用双层辉光放电形成Mo-N硬质镀层

来源期刊：中国有色金属学报2003年第4期

论文作者：李秀燕唐宾徐重

文章页码：984 - 987

关键词：双层辉光放电；钛合金；钼氮化合物

Key words：double glow discharge; Ti alloy; molybdenum nitride

摘要：用双层辉光放电在钛合金Ti6Al4V表面形成了Mo-N硬质镀层。用X射线衍射仪和纳米压入仪分别对镀层的相结构、硬度和弹性模量进行了研究，并用涂层压入仪对镀层与基体间的结合强度进行了测定。结果表明： Ti6Al4V表面形成了均匀的Mo-N硬质镀层，镀层厚约10μm，由面心立方结构Mo₂N化合物构成； Mo₂N硬质镀层的硬度和弹性模量分别为13.80GPa和261.65GPa；镀层与基体间具有较好的结合强度。

Abstract: The Mo-N hard coating on Ti6Al4V substrate was formed by the double glow discharge technique. The phase, hardness and elastic modulus of the coating were analyzed with X-ray diffractometer and nano indentator respectively.The adhesive strength of the Mo-N hard coating/Ti6Al4V substrate system was investigated with coating indentator. The results show that, the thickness of Mo-N hard coating is about 10μm; the coating consists of fcc structure Mo₂N; the hardness and elastic modulus of the coating are 13.80GPa and 261.65GPa respectively. The Mo-N hard coating/Ti6Al4V substrate system has good adhesive strength.

中国有色金属学报 2003,(04),984-987 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.04.032

利用双层辉光放电形成Mo-N硬质镀层

李秀燕唐宾徐重

太原理工大学表面工程研究所,太原理工大学表面工程研究所,太原理工大学表面工程研究所太原030024 ,太原030024 ,太原030024

摘要：

用双层辉光放电在钛合金Ti6Al4V表面形成了Mo N硬质镀层。用X射线衍射仪和纳米压入仪分别对镀层的相结构、硬度和弹性模量进行了研究,并用涂层压入仪对镀层与基体间的结合强度进行了测定。结果表明:Ti6Al4V表面形成了均匀的Mo N硬质镀层,镀层厚约10μm,由面心立方结构Mo2N化合物构成;Mo2N硬质镀层的硬度和弹性模量分别为13.80GPa和261.65GPa;镀层与基体间具有较好的结合强度。

关键词：

双层辉光放电;钛合金;钼氮化合物;

中图分类号： TG174.4

作者简介：李秀燕(1966),女,副教授,博士研究生,电话:03516010540;Email:lixiuyan863@163.com;

收稿日期：2002-09-02

基金：山西省青年科技研究基金资助项目(20021002);

Preparation of molybdenum nitride hard coating by double glow discharge technique

Abstract：

The MoN hard coating on Ti6Al4V substrate was formed by the double glow discharge technique. The phase, hardness and elastic modulus of the coating were analyzed with Xray diffractometer and nano indentator respectively.The adhesive strength of the MoN hard coating/Ti6Al4V substrate system was investigated with coating indentator. The results show that, the thickness of MoN hard coating is about 10 μm; the coating consists of fcc structure Mo2N; the hardness and elastic modulus of the coating are 13.80 GPa and 261.65 GPa respectively. The MoN hard coating/Ti6Al4V substrate system has good adhesive strength.

Keyword：

double glow discharge; Ti alloy; molybdenum nitride;

Received： 2002-09-02

双层辉光离子渗金属技术是在离子氮化技术基础上发展起来的一种等离子表面冶金新技术, 其主要用途是在可导电材料表面形成改性合金层。该技术已被成功地用于钢铁材料的表面改性, 实现了多种合金元素的单元渗和2种或2种以上金属元素的多元共渗 ^[1,2,3,4,5] 。双层辉光离子渗金属技术利用双层辉光放电中的空心阴极效应, 大大提高了真空炉内气体分子、金属粒子的激发、离化率, 并有效地增强了金属靶的阴极溅射 ^[6,7,8] 。已有的关于Mo-N镀层的研究报道多见于其在超导、扩散势垒及催化方面的应用及理论研究, 而作为硬质涂层的研究见诸报道的还较少 ^[9,10,11,12] 。作者利用双层辉光放电现象在钛合金表面形成Mo-N硬质镀层, 并对镀层的性能进行研究。

1 实验

1.1原理

实验装置如图1所示。工作电源为二直流可调电源, 正极接真空室的壳体, 负极分别接试样和金属靶。镀膜前先将真空室抽至约10^-2 Pa的高真空, 随后通入反应气体与惰性气体的混合气, 使真空室内的气压达到所需值。之后调节二电源电压, 使在阳极和金属靶以及阳极和试样之间发生双层辉光放电。实验时使金属靶与试样之间的距离处于一定的范围内, 则金属靶与试样之间负辉区便会互相重叠而引起放电电流大幅度增长, 即产生了空心阴极效

图1 实验装置示意图 Fig.1 Experimental equipment

应。由于实验时金属靶和试样通常为不等电位, 因此, 在双辉放电中称此效应为不等电位空心阴极放电现象, 该效应可大大增加真空室内气体分子的激发、离化率。在镀膜时, 由辉光放电产生的高能离子轰击金属靶溅射出金属粒子, 来提供形成镀层所需的镀料金属粒子。被溅射出的金属粒子进入等离子区, 与区内的正离子、被激发的气体原子以及电子发生碰撞, 其中一部分金属粒子被激发、电离。由于被激发、电离的反应气体分子和金属粒子的化学反应活性很高, 它们可在试样表面发生化学反应生成金属化合物。

实际上, 金属化合物既可在试样表面生成, 也可在金属靶表面生成。在镀膜时, 由于要保证金属靶有充足的溅射量, 而试样有温度及反溅射的限制, 所以金属靶的电位要比试样低很多。因此金属靶表面生成的金属化合物被轰击分解或剥离的速率远远大于在靶上生成化合物的速率。

与一般的反应离子镀方法相比, 利用双层辉光放电形成金属化合物镀层的技术主要有以下特点:

1)不等电位空心阴极放电效应使气体分子及金属粒子的激发、离化率大大提高, 而激发、离化率的高低是影响反应离子镀的成膜速率及质量的重要因素。

2)可制备多种类的金属化合物镀层, 尤其在制备高熔点金属的化合物镀层上有独特优势。

3)真空室内设置双阴极, 利用阴极溅射直接提供金属靶粒子, 同时通过双阴极产生空心阴极放电效应来增强气体分子及金属粒子的激发、离化率, 使实验装置相对比较简单。

1.2 材料

选择退火态的Ti6Al4V钛合金作为实验基材, 其成分(质量分数)为: 6.7% Al, 4.21% V, 0.07% Si, 0.10% Fe, 0.03% C, 0.14% O, 0.015% N, 0.003% H, 余量Ti。所用试样尺寸为d 16 mm×3 mm。金属靶材料为粉末冶金制备的99.99%纯Mo板, N₂采用纯度为99.99%的高纯氮气, 以氩气为载气。

1.3 工艺条件

实验设备为LS-450型双层辉光离子渗金属真空炉, 极限真空度<6.7×10^-2 Pa。装炉前, 试样用丙酮清洗, 镀膜前用氩气进一步溅射清洗。形成Mo-N硬质镀层时的工艺条件为: N₂与Ar体积比1∶1, 气压40 Pa, 试样与金属靶间距15 mm, 金属靶电压1 200 V, 试样电压650 V, 镀膜时间4 h。

1.4 检测方法

用NEOPHOT21型光学显微镜分析Mo-N镀层的厚度。用D/max2500型X射线衍射仪分析镀层的相结构, 使用CuK_α靶。用Nano-Ⅱ型纳米压入仪测定镀层及基材的硬度和弹性模量, 该仪器采用Berkovich三棱锥压头, 载荷控制加载。用西安交通大学研制的TCY-A型涂层压入仪进行压入实验, 以评定镀层与基体间的结合强度。将声发射法和金相显微观察法相结合, 并采用类似疲劳实验中确定疲劳极限的升降法, 来确定镀层脱落的临界压入载荷F_c值。

2结果与分析

将镀膜试样的横断面抛光后, 在HF, HNO₃, H₂O的体积比为3∶5∶95的浸蚀液中腐蚀约5 min, 在高倍显微镜下可观察到基体钛合金Ti6Al4V表面有一均匀的白亮层, 这就是利用双层辉光放电形成的Mo-N硬质镀层, 镀层的厚度约为10 μm, 如图2所示。

用X射线衍射仪分析了Mo-N硬质镀层的相结构, 图3所示为其XRD图谱。可知Mo-N硬质镀层由面心立方结构化合物Mo₂N构成, 且呈现(200)晶面的择优取向。

图4所示为Mo₂N硬质镀层和距基体表面30 μm处基体Ti6Al4V的纳米压入载荷—位移曲线。 Mo₂N硬质镀层的硬度和弹性模量值分别为13.80 GPa和261.65 GPa, 基体Ti6Al4V的硬度和弹性模量分别为2.75 GPa和89.31 GPa。可见, 利用双层辉光放电在Ti6Al4V表面形成的Mo₂N硬质镀层的硬度和弹性模量较Ti6Al4V有很大提高。

图2 Mo-N硬质镀层的显微组织照片 Fig.2 Microstructure of Mo-N hard coating

图3 Mo-N硬质镀层的XRD图谱 Fig.3 XRD pattern of Mo-N hard coating

图4 Mo2N硬质镀层和基体Ti6Al4V 的纳米压入载荷—位移曲线 Fig.4 Load vs displacement curve of Mo2N hard coating and Ti6Al4V substrate with nano indentation test (a)—Mo2N hard coating; (b)—Ti6Al4V substrate

对试样的表面做了压入实验, 以评定Mo₂N镀层与基体Ti6Al4V间的结合强度。测得临界压入载荷F_c为150 N, 表明Mo₂N镀层与基体间有较好的结合强度。图5(a)所示为临界压入载荷下试样的压痕形貌; 图5(b)为载荷200 N时, 镀层发生脆性剥落的压痕形貌。