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構的變化以及原子環境和電子組態等微觀狀態的擾動，因此導致金屬各種物理、化學、機械性能的變化[2-3]。

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

鈦合金以其優異的綜合力學性能、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、醫藥[5][6]等部門上得到了廣泛的應用。但是鈦合金較難加工的特點限制了它的廣泛應用，而且鈦合金在加工過程中容易出現內應力，嚴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力有很好的作用。本文利用PIII技術在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+在基體內的分布以及對TC4鈦合金表面納米硬度的改善。

2 實驗步驟及方法

2.1、N+注入實驗

經過研究，實驗選用的試樣材料為TC4鈦合金，尺寸為3*10*10mm，組成成分見表1所示，PIII方法離子注入實驗參數設定見表2所示。實驗所用真空設備為北京航空航天大學材料加工工程專業現代表面改性技術課題組自主設計的離子注入且沉積復合鍍膜設備，最佳真空度達到10-3數量級，能很好的滿足實驗要求。

實驗前對鈦合金試樣進行表面打磨拋光處理后進行酒精超聲波清洗，完成該工序后將樣品放入真空爐抽真空達到10-3Pa級別后，打開高壓脈沖電源通入高純氮氣進行N+注入實驗。

2.2、試樣檢測

按照表2設定的參數對TC4鈦合金試樣進行N+注入實驗，然后對試樣分別進行XRD、XPS以及納米硬度測試，得到相應的檢測結果并分析得出相應結論。

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現的，該方法是通過計算機模擬跟蹤一大批入射粒子的運動。粒子的能量、能量損失以及次級粒子的各種參數都在整個過程中存儲下來，最后得到各種所需的物理量的期望值和統計誤差，能很好的對離子注入進行模擬，得到理論上的結果。

3、實驗結果及分析

3.1、SRIM軟件模擬結果

基于表2設定的實驗參數運用SRIM軟件對TC4鈦合金的N+注入進行模擬，從模擬結果上可以看到在深度為40nm時N+含量達到最大，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檢測結果

XRD檢測結果的擇優方向不同，原因由于襯底負偏壓往往影響TiN的擇優取向。在襯底偏壓較低時，TiN經常出現（111）（220）方向的擇優取向；而當襯底偏壓較大時，TiN容易出現（200）擇優取向。出現該現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，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結構中為（111）（220）晶面]生長；當偏壓增加時，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結構中為（200）晶面]生長，但是由于刻蝕或反濺射作用增強，表面能較低取向的晶粒生長被刻蝕或濺射掉，而表面能較高取向的晶粒生長變得明顯。

3.3、XPS檢測結果

基于表2設定的實驗參數對TC4鈦合金試樣完成離子注入實驗，取4號試樣進行XPS檢測以得到各元素在深度方向上的比例，得到的結果如圖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，N元素含量達到頂峰；隨著剝蝕時間的繼續增加，N含量迅速減少，在剝蝕深度為80nm左右時幾乎趨近于零。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。該檢測結果與SRIM軟件模擬的結果相吻合。

3.4、納米硬度檢測結果

基于表2設定的實驗參數對TC4鈦合金試樣完成離子注入實驗，取0-4號試樣進行納米硬度測量，結果如圖4所示。

由圖看出3號試樣即注入時間為5h的試樣納米硬度最高，50nm-200nm硬度平均值達到27.86GPa，比0h對比樣13.36Gpa的硬度提高了108%，表明該PIII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。同時經過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成分膜具有化學惰性、高熔點、低摩擦系數、高硬度、良好的熱力學穩定性、優秀的耐磨和耐腐蝕性等優異性能，在抗磨損、抗腐蝕和抗擴散阻擋等領域得到廣泛應用，同時由于TiN的生物相容性，也可施加在骨科和牙科植入物領域[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際應用價值。