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氮化物薄膜的制备及离子注入对其性能影响研究

周庆刚  
【摘要】:本文研究了氮化物薄膜的制备及离子注入对其性能的影响。通过研究并根据薄膜生长动力学,采用离子镀技术制备CrN/Cr双层膜和CrNx梯度膜。研究了薄膜硬度、摩擦学性能和耐腐蚀性能。实验表明,CrN/Cr能够明显降低材料的磨损系数、CrNx梯度结构能显著提高电化学腐蚀性能。SEM分析表明,梯度膜中的柱状晶结构得到改善,不会出现穿透性微孔,阻挡电解液穿过膜层接触基体。 采用平面矩形靶离子镀技术制备了TiN、ZrN薄膜,并利用MEVVA源对TiN注入铝离子和ZrN薄膜分别注入钇、铈离子,并进行了空气氧化动力学、X光电子谱、GAXRD实验分析和TRIM程序模拟。 铝注入样品经空气氧化后,在表层生成Al2O3阻挡层,能够降低氧的扩散。在实验范围内,铝离子注入能够明显提高TiN薄膜的抗氧化性能,并随离子剂量的提高而加强。铝离子注入TiN薄膜后以Al2O3形式存在,且在剂量较高时会在表层出现单质铝。铝离子注入样品的电化学性能出现下降,表面缺陷和单质铝是电化学性能下降的主要原因。对样品进行热处理后,可以消除表面缺陷并形成致密的氧化膜,提高耐腐蚀性能。CIE L*a*b* 分析表明,TiN薄膜的亮度L* 随着铝离子注入剂量增加明显提高,同时a* (绿-红)和b* (蓝-黄)分量都有下降。 首次采用稀土元素钇、铈离子注入提高ZrN薄膜的电化学耐腐蚀性能,并建立了钇、铈离子注入提高ZrN薄膜耐腐性能的结构模型。在实验剂量范围内,腐蚀性能与注入剂量紧密相关。钇、铈离子改变ZrN表层的结构和应力状态,并以氧化物Y2O3或CeO2阻挡层形式减少电解液透过ZrN膜层。钇离子注入能够改善ZrN膜层的抗氧化性能。ZrN样品氧化后会出现单斜相ZrO2,在钇离子注入后,氧化膜中出现四方相ZrO2,体积的减小可明显降低表层的应力。铈离子注入降低了ZrN的抗氧化能力,但随铈注入剂量增加,ZrN样品的抗氧化能力逐渐回升。与钇注入相比,铈注入对ZrN的损伤作用要大,但在较高剂量时,四方相含量增加,抗氧化性能提高。揭示了膜层色度变化与结构和化学成分的关系。钇、铈离子注入后,ZrN样品的亮度L* 随着剂量增加而下降,b*和a*分量总体上在升高。


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