氮等離子體浸沒離子注入TC4鈦合金的研究

1、背景簡介

離子注入金屬表面，可以使金屬材料表面陶瓷化和金剛石化，使其披上一層十分堅(jiān)固的盔甲[1]。常用的注入原子有：碳、氮、氧等，離子注入將引起金屬表層的成分和結(jié)構(gòu)的變化以及原子環(huán)境和電子組態(tài)等微觀狀態(tài)的擾動，因此導(dǎo)致金屬各種物理、化學(xué)、機(jī)械性能的變化[2-3]。

傳統(tǒng)的離子注入是一個(gè)視線加工過程，只有暴露在離子束下的工件表面才能被離子注入，為了解決傳統(tǒng)離子注入方法的缺陷，美國威斯康辛大學(xué)

鈦合金以其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、低密度以及良好的耐蝕性，近年來在航空航天、石油化工、造船、汽車、醫(yī)藥[5][6]等部門上得到了廣泛的應(yīng)用。但是鈦合金較難加工的特點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用，而且鈦合金在加工過程中容易出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重影響鈦合金材料的使用壽命，而PIII方法對改善材料表面應(yīng)力有很好的作用。本文利用PIII技術(shù)在TC4鈦合金上注入N+，通過軟件模擬以及多種檢測方法來研究該方法對TC4鈦合金性能的改善，從而得出注入后N+在基體內(nèi)的分布以及對TC4鈦合金表面納米硬度的改善。

2 實(shí)驗(yàn)步驟及方法

2.1、N+注入實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過研究，實(shí)驗(yàn)選用的試樣材料為TC4鈦合金，尺寸為3*10*10mm，組成成分見表1所示，PIII方法離子注入實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定見表2所示。實(shí)驗(yàn)所用真空設(shè)備為北京航空航天大學(xué)材料加工工程專業(yè)現(xiàn)代表面改性技術(shù)課題組自主設(shè)計(jì)的離子注入且沉積復(fù)合鍍膜設(shè)備，最佳真空度達(dá)到10-3數(shù)量級，能很好的滿足實(shí)驗(yàn)要求。

實(shí)驗(yàn)前對鈦合金試樣進(jìn)行表面打磨拋光處理后進(jìn)行酒精超聲波清洗，完成該工序后將樣品放入真空爐抽真空達(dá)到10-3Pa級別后，打開高壓脈沖電源通入高純氮?dú)膺M(jìn)行N+注入實(shí)驗(yàn)。

2.2、試樣檢測

按照表2設(shè)定的參數(shù)對TC4鈦合金試樣進(jìn)行N+注入實(shí)驗(yàn)，然后對試樣分別進(jìn)行XRD、XPS以及納米硬度測試，得到相應(yīng)的檢測結(jié)果并分析得出相應(yīng)結(jié)論。

2.3、SRIM軟件離子注入模擬

該軟件是基于蒙特卡洛模擬方法來實(shí)現(xiàn)的，該方法是通過計(jì)算機(jī)模擬跟蹤一大批入射粒子的運(yùn)動。粒子的能量、能量損失以及次級粒子的各種參數(shù)都在整個(gè)過程中存儲下來，最后得到各種所需的物理量的期望值和統(tǒng)計(jì)誤差，能很好的對離子注入進(jìn)行模擬，得到理論上的結(jié)果。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1、SRIM軟件模擬結(jié)果

基于表2設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)運(yùn)用SRIM軟件對TC4鈦合金的N+注入進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果上可以看到在深度為40nm時(shí)N+含量達(dá)到最大，N+注入的最大深度約為80nm，其分布幅度與范圍上符合蒙特卡洛分布，效果圖如圖1所示。

3.2、XRD檢測結(jié)果

XRD檢測結(jié)果的擇優(yōu)方向不同，原因由于襯底負(fù)偏壓往往影響TiN的擇優(yōu)取向。在襯底偏壓較低時(shí)，TiN經(jīng)常出現(xiàn)（111）（220）方向的擇優(yōu)取向；而當(dāng)襯底偏壓較大時(shí)，TiN容易出現(xiàn)（200）擇優(yōu)取向。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是由于基體偏壓對涂層的取向有著決定性的影響，該影響可以理解為：偏壓較低時(shí)，粒子流能量較低，刻蝕或反濺射作用較弱，涂層沿著表面能最小取向[TiN結(jié)構(gòu)中為（111）（220）晶面]生長；當(dāng)偏壓增加時(shí)，粒子流能量較高，涂層除了沿著表面能最小的取向生長外，還能沿著表面能較大的取向[TiN結(jié)構(gòu)中為（200）晶面]生長，但是由于刻蝕或反濺射作用增強(qiáng)，表面能較低取向的晶粒生長被刻蝕或?yàn)R射掉，而表面能較高取向的晶粒生長變得明顯。

3.3、XPS檢測結(jié)果

基于表2設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對TC4鈦合金試樣完成離子注入實(shí)驗(yàn)，取4號試樣進(jìn)行XPS檢測以得到各元素在深度方向上的比例，得到的結(jié)果如圖3所示。

由圖看到隨著剝蝕深度的增加，N含量逐漸上升，在剝蝕深度為40nm左右時(shí)，N元素含量達(dá)到頂峰；隨著剝蝕時(shí)間的繼續(xù)增加，N含量迅速減少，在剝蝕深度為80nm左右時(shí)幾乎趨近于零。另外，在試樣表面處由于有吸附的N元素，所以百分比例偏高。該檢測結(jié)果與SRIM軟件模擬的結(jié)果相吻合。

3.4、納米硬度檢測結(jié)果

基于表2設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對TC4鈦合金試樣完成離子注入實(shí)驗(yàn)，取0-4號試樣進(jìn)行納米硬度測量，結(jié)果如圖4所示。

由圖看出3號試樣即注入時(shí)間為5h的試樣納米硬度最高，50nm-200nm硬度平均值達(dá)到27.86GPa，比0h對比樣13.36Gpa的硬度提高了108%，表明該P(yáng)III方法在TC4鈦合金表面注入N+的效果顯著，能很好的改善TC4鈦合金的表面納米硬度。

4、結(jié)論

PIII方法N+注入TC4鈦合金后對其性能有較大改善，表面納米硬度增加108%，大大改善了TC4鈦合金的表面納米硬度。同時(shí)經(jīng)過XRD和XPS檢測得到表面層主要成分為TiN，并且得到了各元素在深度方向上的百分比組成。該TiN成分膜具有化學(xué)惰性、高熔點(diǎn)、低摩擦系數(shù)、高硬度、良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)秀的耐磨和耐腐蝕性等優(yōu)異性能，在抗磨損、抗腐蝕和抗擴(kuò)散阻擋等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)由于TiN的生物相容性，也可施加在骨科和牙科植入物領(lǐng)域[7-9]。因此在TC4鈦合金上利用PIII方法注入N+具有很高的研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。