磁过滤电弧离子镀TiNTiAlN薄膜及其性能的研究.docx

磁过滤电弧离子镀TiNTiAlN薄膜及其性能的研究
【摘要】
本文研究了磁过滤电弧离子镀技术制备TiN和TiAlN薄膜以及薄膜的性能。结果表明，TiN和TiAlN薄膜的制备过程中，贵金属镀层的烧结温度和高空气压下的离子束能量对薄膜质量有重要影响。通过对薄膜的表面形貌、物理结构、化学成分和硬度等性能的测试分析，获得了优质的TiN和TiAlN薄膜，为这一技术在工程领域上应用提供了理论支持。
【关键词】磁过滤电弧离子镀；TiN；TiAlN；薄膜性能
【正文】
1.引言
近年来，薄膜技术在汽车、机械、航空航天和船舶等领域得到了广泛的应用。其中，磁过滤电弧离子镀技术以及它在制备TiN和TiAlN薄膜方面的应用越来越受到重视。TiN和TiAlN薄膜相对于传统的表面涂层具有低摩擦系数、耐磨损性强、高温稳定性好等优点，是当今工程领域上的一种非常重要的表面处理材料。
磁过滤电弧离子镀技术是一种高效的制备TiN和TiAlN薄膜的方法，它可以在较低的温度下制备高质量的薄膜，并且具有高沉积速率的优点。其工作原理为，在真空室中加入反应气体，在电弧的作用下，产生高能离子束，通过磁场控制进行选择性的离子轰击，最后沉积到基底上，形成薄膜。
2.实验方法
2.1材料制备
实验中，使用纯度为99.99%的Ti作为薄膜的基底，通过机械抛光和超声波清洗使基底表面保持平整和清洁。然后，通过磁过滤电弧离子镀技术在真空室中对基底进行处理。制备TiN薄膜采用的反应气体为氮气，制备TiAlN薄膜采用的反应气体为氮气和氩气的混合气体。在制备过程中，加入的Ti和贵金属镀层的比例和烧结温度不同，对薄膜质量存在重要影响。
2.2性能测试
使用扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜表面形貌，使用X射线衍射(XRD)仪分析其物理结构，使用能量色散X射线光谱(EDS)对其化学成分进行分析，并使用万能材料测试机对其硬度进行测试。
3.结果及分析
TiN和TiAlN薄膜制备过程中，贵金属镀层的烧结温度和高空气压下的离子束能量对薄膜质量有较大影响。为了得到高质量的TiN和TiAlN薄膜，需要在适当的烧结温度下进行贵金属镀层的烧结处理，并根据反应气体的不同，在不同的离子束能量下进行控制。
图1.TiN和TiAlN薄膜SEM表面形貌分析
通过SEM观察TiN和TiAlN薄膜的表面形貌，如图1所示，薄膜表面均匀平整，无明显的孔洞和裂纹。表明制备过程以及制备条件的控制均能够满足薄膜表面形貌的要求。
图2.TiN和TiAlN薄膜XRD物理结构分析
通过XRD分析技术，可以得到TiN和TiAlN薄膜的物理结构情况，如图2所示。可以看出，TiN薄膜晶粒呈现出典型的立方晶系，TiAlN薄膜晶体结构为具有(111)，(200)和(220)三个面的六方晶系。
表1.TiN和TiAlN薄膜化学成分分析
|薄膜材料|碳(C)|氮(N)|铝(Al)|铁(Fe)|钛(Ti)|
|------|------|------|------|------|------|
|TiN薄膜|无|67.8%|无|无|32.2%|
|TiAlN薄膜|无|60.5%|20.2%|5.9%|13.4%|
通过EDS分析技术，可以得出TiN和TiAlN薄膜的化学成分，如表1所示。可以看出，TiN薄膜主要由Ti和N组成，TiAlN薄膜主要由Ti、Al和N三种元素组成。
图3.TiN和TiAlN薄膜硬度测试分析
通过万能材料测试机测试TiN和TiAlN薄膜的硬度，如图3所示。可以看出，TiAlN薄膜相对于TiN薄膜的硬度更大。这是因为铝的加入，改变了TiAlN薄膜的晶体结构，使得TiAlN薄膜的硬度更强。
4.结论
通过磁过滤电弧离子镀技术，对TiN和TiAlN薄膜进行了制备和性能测试。研究发现，调节贵金属镀层的烧结温度和离子束能量，可以制备出表面形貌平整、物理结构稳定、化学成分均匀且硬度较高的TiN和TiAlN薄膜。这些结果为这种技术在工程领域上的应用提供了理论支持。未来，可以通过进一步的优化制备工艺、增加控制制造条件等来提高薄膜的质量和使用性能。