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多组元掺杂氮化钛膜的制备

钛的化合物中Ti(C, N)的硬度很高，(Ti, Al)N的稳定性较好，而TiN与基体的本身膜基结合力较高。因此，如果采用多组元掺杂和多层复合处理制备TiN薄膜，则不仅可以显著提高钛及钛合金的表面硬度和耐磨性，而且可以改善膜基结合强度。经过研究，对钛合金表面进行多组元掺杂和多层复合处理，且形成(Ti, Al)N和TiN复合涂层，则其使用寿命可延长一倍以上，并且可以应用于高速切削加工。TiN薄膜通过多组元掺杂处理，在TiN中添加C元素可以形成Ti(C, N)化合物，这极大提高了表面硬度，一般从200HV左右增加到2000HV以上。86714

为了在保持涂层耐磨性的基础上，进一步改善涂层与基体的结合强度，科研工作者在钛合金表面制备了TiN复合涂层。例如A。Sokoyowska教授[[[] Sokolowska A, Rudnicki J, Niedzielski P, et al。 TiN-NCD composite coating produced on the Ti6Al4V alloy medical applications。 Surface Coatings。 2005, 200(1-4): 87-89]]采用直流离子氮化法，在Ti-6Al-4V合金表面制备了TiN-NCD（金刚石纳米晶）复合薄膜，以此改善钛合金的耐磨性及其结合强度。我国科研工作者陈杜娟则是采用辉光放电法，分别对钛合金进行表面渗氮、碳氮共渗处理，在钛合金表面形成TiN、Ti-(C, N)复合薄膜，这不仅改进了钛合金的表面硬度和耐磨性，而且改善了钛合金的临床应用。[[[] 陈杜娟。 渗氮及碳氮共渗改善钛合金在医学方面的应用。 稀有金属快报，2000，20(12)：15-16]]论文网

多组元复合处理不仅能够显著提高钛合金的表面硬度和耐磨性，而且能够改善涂层韧性，提高耐腐蚀性。比如，由于TiN与基体有较好的膜基结合力，我们可以先在钛合金表面制备一层TiN涂层，然后在TiN涂层表面制备TiC、Ti(C, N)、(Ti, Al)N、CrN和TiB2等多组元复合涂层，使钛合金表面的多组元复合涂层不但硬度及耐磨性极佳，同时保证了膜基结合力，其合金韧性也有所增加。[[[] Liu W。 Low-carbon photochemical system。 CN, CN2010/001041。 2012]]多组元和多层涂层相结合的复合处理日益成为钛及钛合金表面改性处理未来研究的重要新方向。

2 氮化钛陶瓷层表面形貌的调控

由于钛合金加工硬化性能较差、塑性剪切抗力较低，钛合金经过表面抛光后极易形成新的划痕和挛晶。例如，采用扫描电镜对表面粗糙度为Ra=0。05µm的Ti-6Al-4V合金进行表面形貌分析。[[[] Jamesh M, Kumar S, Narayanan TSNS, et al。 Effect of thermal oxidation on the corrosion resistance of Ti6Al4V alloy in hydrochloric and nitric acid medium。 Materials & Corrosion。 2013, 64(10): 902-907]]虽然合金表面粗糙度已然极小，但我们仍然可以观察到合金的表面存在较多细小的划痕，局部地区甚至存有挛晶。另外，由于合金硬度不高，可塑性却不低，所以经过表面抛光后会形成的大量塑性变形。

如果在四种不同的温度下对钛合金采用分级渗氮，将制备得到的钛金属陶瓷表面进行清洗，对其表面用金刚石砂纸进行抛光，紧接着使用扫描电子显微镜观察钛金属陶瓷的表面。经过观察发现，钛合金的渗氮过程受温度的影响较大，与渗氮前的钛合金相比，合金表面发生了颜色变化呈金黄色，这便是TiN陶瓷层，由于氮化钛取向不同，合金表面出现许多形状不一的复杂微孔结构。[[[] 陈晓林。 钛合金表面织构与等离子渗氮处理及其生物摩擦特性研究。 南京理工大学硕士学位论文。 2008：16-24]]

此外，当渗氮温度相同时，随着渗氮时间的改变，合金表面的形貌也有所改变。经研究发现，随着我们增加渗氮时间，合金表面树枝或针状形貌将慢慢变大，部分会覆盖缠绕，部分微孔也被遮蔽。而随着时间再次增加，TiN薄膜的取向愈加无序，部分会重叠堆垛，得到较为复杂的表面织构。由于不同的表面织构将会对力学性能和摩擦学性能造成不同程度的影响，因此通过控制分级渗氮的次数，可以间接控制渗氮时间，进而能够按要求形成需要的TiN微孔结构，由此得到较好的材料表面力学性能。[[[] Yokota K, Nakamura K, Satoh M, et al。 Nitrogen ion dose dependence of surface morphology of titaniumnitride films deposited on gallium arsenide by an ion beam assisteddeposition technique。 Conference on Ion Implantation Technology。 2000: 346-349]] (责任编辑：qin)