引言
鋯合金因其優(yōu)異的核性能（中子吸收截面小）和優(yōu)異的力學(xué)性能成為原子能工業(yè)不可缺少的金屬材料[1-2]。然而，2011年日本福島核事故暴露了現(xiàn)有鋯合金在抵抗嚴(yán)重事故性能方面的缺陷。鑒于核電安全的重要性，核電用鋯合金服役前通常需要采用表面涂層技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，以提高其力學(xué)性能[3]。
TiN涂層是陶瓷涂層中的一種，具有高硬度，優(yōu)良的抗氧化性與抗腐蝕能力，常被用作金屬切削道具及許多零件的表面防護(hù)[4-5]。TiN涂層的制備方法主要分為物理氣相涂層(PVD)和化學(xué)氣相涂層(CVD)兩類，磁控濺射作為PVD技術(shù)中的一種，具有鍍膜涂層均勻、濺射能量低、工件變形小、大顆粒較少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各零部件的表面改性處理[6-8]。顧卿赟等[9-10]采用磁控濺射的方法在4Cr5MoSiV熱作模具鋼表面沉積了TiN涂層，并通過(guò)掃描電鏡（SEM）和電子能譜（EDS）分析了試樣的微觀結(jié)構(gòu)和物相結(jié)構(gòu)，研究了TiN涂層的抗氧化性能，并用壓痕法測(cè)定了涂層的力學(xué)性能。結(jié)果表明，TiN涂層具有良好的韌性、結(jié)合強(qiáng)度和抗高溫氧化性能。張磊[11]通過(guò)磁控濺射技術(shù)在6Mo5Cr4V2不銹鋼表面制備了厚度約為2μm左右TiN涂層，涂層具有良好的致密度和硬度，未發(fā)現(xiàn)針孔、氣孔和裂紋等缺陷。后將鍍有TiN涂層的W6Mo5Cr4V2不銹鋼置于3.5%NaCl溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，結(jié)果表明TiN涂層表面僅有少部分區(qū)域發(fā)生了點(diǎn)腐蝕，說(shuō)明TiN涂層對(duì)基體仍具有良好的保護(hù)作用。吳笛等[12]采用磁控濺射的方法研究了沉積溫度對(duì)TiN成膜的影響，制備了表面平整光滑的TiN涂層。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于工藝參數(shù)對(duì)磁控濺射技術(shù)制備TiN涂層結(jié)構(gòu)與性能的影響的研究較多，而缺乏基體溫度的變化對(duì)TiN涂層結(jié)構(gòu)與性能的影響的研究。
本文采用磁控濺射技術(shù)在鋯合金表面制備TiN涂層，主要研究基體溫度對(duì)涂層表面形貌、組織結(jié)構(gòu)、與基材的結(jié)合能力和涂層表面殘余應(yīng)力的影響，為該涂層的制備工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。
1、實(shí)驗(yàn)方法
1.1材料和儀器
實(shí)驗(yàn)試樣為10mm×10mm×2.2mm的Zr-4合金基材，其化學(xué)成分（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）為：98%Zr，1.3%~1.5%Sn，0.18%~0.24%Fe，0.09%~0.12%Cr，0.09%~
0.14%O。靶材為TiN靶（純度大于或等于99.7），尺寸均為?100mm×7mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為TSU-650硬質(zhì)涂層鍍膜機(jī)，真空室尺寸為?350mm×400mm，TiN靶材距離鋯合金基體的距離約為75mm。
1.2沉積的工藝條件
在沉積過(guò)程中：工作氣體為氬氣，純度為99.99%，工作氣壓1Pa，基體表面粗糙度0.1±0.03μm，沉積的主要工藝參數(shù)如表1所示。
1.3TiN涂層的制備
將Zr-4合金基材通過(guò)粗糙度由小到大的金剛石磨盤研磨后，使用去離子水清洗后，在無(wú)水乙醇中超聲清洗10min，使基體表面粗糙度達(dá)0.1±0.03μm。
將鋯合金試樣經(jīng)清洗后懸掛在TSU-650硬質(zhì)涂層鍍膜機(jī)的真空鍍膜室中。本實(shí)驗(yàn)共分為4組，先將本底真空度抽至6.7×10-3Pa，然后將溫度加熱至100℃、200℃、300℃和400℃四個(gè)不同的溫度，待溫度及真空保持穩(wěn)定后打開(kāi)氬氣開(kāi)關(guān)通入氬氣，接著開(kāi)啟離子源，用氬離子束對(duì)試樣表面進(jìn)行轟擊凈化。關(guān)閉離子源，啟動(dòng)陰極純TiN靶，用TiN離子束對(duì)試樣進(jìn)行轟擊10h，在試樣表面沉積一層TiN涂層。
1.4性能測(cè)試方法
采用SHIMADZUXRD-6100型X射線衍射儀對(duì)鋯合金表面上TiN涂層的物相結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力進(jìn)行分析；采用ZEISSEVO18掃描電鏡分析Zr-4合金表面上TiN涂層的表面形貌和涂層厚度；采用WS-2005型涂層附著力自動(dòng)劃痕儀測(cè)量鋯合金表面上TiN涂層的的結(jié)合強(qiáng)度，載荷為20g，加載時(shí)間15s。
2、結(jié)果分析與討論
2.1TiN涂層表面物相分析
圖1所示為不同基體溫度下沉積的TiN涂層的XRD譜圖。由圖可知，不同基體加熱溫度制備的涂層各主要衍射峰所對(duì)應(yīng)的晶體晶相都能較好地對(duì)應(yīng)，只是衍射峰峰值有所變化。隨著基體加熱溫度的升高，TiN(111)晶相的衍射峰值逐步增大，TiN(200)晶相衍射峰值逐步減小。基體加熱溫度為100℃時(shí)，TiN的3個(gè)衍射峰，即TiN0.26(100)，TiN(111)和TiN(200)的衍射強(qiáng)度基本相同，說(shuō)明此時(shí)的TiN涂層以這3種晶相共存。當(dāng)基體加熱溫度提高到200℃及以上時(shí)，TiN(111)對(duì)應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度所占比逐步增大。當(dāng)基體加熱溫度為400℃時(shí)，沉積的涂層主要以TiN(111)這一單晶相存在。
2.2TiN涂層表面SEM形貌分析
圖2和圖3所示分別是100℃、200℃、300℃和400℃四個(gè)不同的基體溫度下沉積的TiN涂層表面100倍象SEM形貌和1000倍象SEM形貌。由圖可知，不同大小基體溫度下制備的TiN涂層完整，未出現(xiàn)涂層剝落的情況，涂層表面相對(duì)平整，但均存在熔覆狀顆粒、溝壑狀褶皺等缺陷。由圖2和圖3可以看出，基體溫度為100℃時(shí)，存在的熔覆狀顆粒、溝壑狀褶皺等缺陷最多。這是因?yàn)樵谳^低溫度的情況下，由靶材濺射出來(lái)的原子所含有的遷移能較低，沉積在基體表面時(shí)不易進(jìn)行遷移只能在沉積處隨機(jī)形核，此時(shí)容易形成原子聚集的情況，從而形成熔覆狀顆粒、溝壑狀褶皺等缺陷，涂層表面性能較差[13]。由圖3可看出，隨著基體溫度的增加，涂層表面的熔覆狀顆粒、溝壑狀褶皺等缺陷逐漸減少，這是因?yàn)樵跍囟壬邥r(shí)，原子具有足夠的能量遷移到其他位置形核，此時(shí)涂層表面變得更為光滑、致密。結(jié)合圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，基體溫度為300℃時(shí)，TiN涂層表面熔覆狀顆粒、溝壑狀褶皺等缺陷最少，涂層表面最光滑、致密，涂層質(zhì)量最好。
2.3TiN涂層橫截面形貌分析
圖4所示為100℃、200℃、300℃和400℃四個(gè)不同的基體溫度下沉積的TiN涂層的截面形貌，TiN涂層的厚度分別為5μm、7.5μm、6.5μm和7.7μm。由圖可知，氮化鈦涂層的厚度和成膜速度隨著基體加熱溫度的增加而呈現(xiàn)出非單調(diào)的變化趨勢(shì)。基體加熱溫度由100℃增加到200℃時(shí)，相同濺射時(shí)間內(nèi)，沉積的氮化鈦涂層厚度增加，即涂層沉積速度增大；基體加熱溫度由200℃增加到300℃時(shí)，相同濺射時(shí)間內(nèi)，沉積的氮化鈦涂層厚度減少，即涂層沉積速度下降；而基體加熱溫度由300℃增加到400℃時(shí)，相同濺射時(shí)間內(nèi)，沉積的氮化鈦涂層厚度增加，即涂層沉積速度增大。總體來(lái)說(shuō)，高的基體加熱溫度，TiN涂層厚度越大，涂層沉積速度越快。
2.4結(jié)合強(qiáng)度分析
涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是磁控濺射TiN薄膜重要的力學(xué)性能之一，表征了薄膜抵抗外力的能力，對(duì)薄膜的壽命有較大影響。圖5所示為不同基體溫度下TiN涂層3次劃痕對(duì)應(yīng)的臨界載荷所取的平均值，即TiN涂層與Zr-4合金基材的結(jié)合強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)圖。由圖可知，TiN涂層的結(jié)合強(qiáng)度隨基體加熱溫度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，基體加熱溫度為300℃時(shí)，涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度最大，達(dá)到了44.3N。而100℃時(shí)，涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度在這3個(gè)中最小，其結(jié)合強(qiáng)度僅為24.8N。這是因?yàn)榛w溫度較低時(shí)原子的遷移能較低，形成的涂層結(jié)晶較差、晶界尺寸大，易形成熔覆狀顆粒和褶皺等缺陷，與圖2和圖3的結(jié)果相吻合。隨著基體溫度升高，由靶材濺射出來(lái)的原子動(dòng)能增加，原子在基體表面的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，具有高遷移能的原子能夠更好地將涂層表面存在的孔洞、針孔等缺陷填滿，使晶格的完整性與涂層的致密性得到增強(qiáng)，從而使涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度得到提升。但當(dāng)基體加熱溫度過(guò)高時(shí)，涂層晶粒的取向性變差，晶體顆粒不規(guī)則，晶界缺陷增多，導(dǎo)致涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度下降[14]。
2.5殘余應(yīng)力分析
圖6所示為4種不同基體溫度下制備的TiN涂層的X射線衍射圖和插值得到的殘余應(yīng)變值。涂層存在的殘余應(yīng)力是由各方面因素產(chǎn)生的應(yīng)力集中表現(xiàn)出來(lái)的，一方面是涂層存在結(jié)構(gòu)差異和缺陷（如雜質(zhì)、位錯(cuò)、晶和空位等），另一方面是涂層與基體的熱膨脹系數(shù)存在一定差異，從而導(dǎo)致涂層產(chǎn)生較高殘余應(yīng)力[15]。而涂層中的殘余應(yīng)力對(duì)材料的硬度、基體與涂層間結(jié)合強(qiáng)度等力學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響，過(guò)大的殘余應(yīng)力甚至?xí)雇繉映霈F(xiàn)開(kāi)裂、剝落等失效現(xiàn)象，從而對(duì)涂層的性能和使用壽命造成影響[16-18]。由圖可知，4種不同基體加熱溫度制備的涂層均存在殘余壓應(yīng)力，且基體加熱溫度越低，殘余壓應(yīng)力的數(shù)值越大。其中，100℃的基體加熱溫度制備的涂層殘余壓應(yīng)力數(shù)值最大，而300℃的基體加熱溫度制備的涂層殘余壓應(yīng)力數(shù)值最小。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，涂層結(jié)晶較差、晶界多、晶界缺陷較多，表面存在較多大顆粒和褶皺，導(dǎo)致涂層表面存在較大殘余應(yīng)力。而基體溫度過(guò)高時(shí)，涂層晶粒取向性變差，晶體顆粒不規(guī)則，晶界缺陷增多，導(dǎo)致涂層存在的殘余應(yīng)力增加[14]。
3、結(jié)束語(yǔ)
改變?yōu)R射過(guò)程中基體溫度大小的同時(shí)會(huì)使TiN粒子的遷移能發(fā)生變化，對(duì)TiN涂層的微觀形貌與性能產(chǎn)生影響。
（1）不同基體加熱溫度制備的涂層各主要衍射峰所對(duì)應(yīng)的晶體晶相都能較好的對(duì)應(yīng)，只是衍射峰峰值有所變化。隨著基體加熱溫度的升高，TiN(111)晶相的衍射峰值逐步增大，TiN(200)晶相衍射峰值逐步減小。
（2）隨基體溫度的升高，TiN粒子所含遷移能增加，涂層表面變得更為光滑、致密，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度增加，成膜速率也更高。當(dāng)基體溫度過(guò)高時(shí)，晶粒成核較差，涂層表面熔覆狀顆粒、褶皺等缺陷增加，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度也降低。
（3）基體溫度從100℃增大到300℃時(shí)，TiN涂層的殘余應(yīng)力隨之降低，當(dāng)基體溫度達(dá)到400℃時(shí)，TiN涂層的殘余應(yīng)力升高。基體溫度為300℃時(shí)，涂層的殘余應(yīng)力最小。
參考文獻(xiàn)：
[1] Ott L J,Robb K R,Wang D. Preliminary assessment of accident-tolerant fuels on LWR performance during normal operation and under DB and BDB accident conditions[J]. Journal of nuclear ma?terials,2014(448):520-533.
[2] 楊紅艷,張瑞謙,彭小明,等. 鋯合金包殼表面涂層研究進(jìn)展[J].表面技術(shù),2017,46(1): 69-77.
[3] А S Kuprin,V А Belous,V N Voyevodin,et al. Vacuum-arc chro?mium-based coaTiNgs for protection of zirconium alloys from the high-temperature oxidation in air[J]. Journal of Nuclear Materi?als,2015(465):400-406.
[4] SEDIRA S,ACHOUR S,AVCI A,et al. Physical Deposition of Car?bon Doped Titanium Nitride Film by DC Magnetron Sputtering for Metallic Implant CoaTiNg Use [J]. Applied Surface Science,2014(295): 81-85.
[5] MERIE V,PUSTAN M,NEGREA G,et al.Research on Titanium Nitride Thin Films Deposited by ReactiveMagnetron Sputtering for MEMS Applications[J]. Applied Surface Science,2015(358):525-532.
[6] ZUO Jun,XIE You-neng,ZHANG Jie,et al. TiN Coated Stainless Steel Bracket: Tribological,Corrosion Resistance,Biocompatibili?ty and Mechanical Performance [J]. Surface and CoaTiNgs Tech?nology,2015(277): 227- 233.
[7] 熊曉晨,燕怒,韓曉琪. 軸承鋼磁控濺射 TiN 涂層工藝參數(shù)對(duì)其性能的影響[J]. 表面技術(shù),2014,43(1): 67-89.
[8] ZHANG Yujuan,YANG Yingze,ZHAI Yuhao,et al. Effect of Neg?ative Substrate Bias on the Microstructure and Mechanical Prop?erties of Ti-Si-N Films Deposited by a Hybrid Filtered Cathodic Arc and Ion Beam Sputtering Technique[J]. Applied Surface Sci?ence,2012(258): 6897-6901.
[9] 顧卿赟,姜世杭,褚堯. 磁控濺射氮化鉻和氮化鈦涂層的性能[J]. 電鍍與涂飾,2011(12):22-25.
[10] Ou K L. Integrity of copper–hafnium,hafnium nitride and mul?tilayered amorphous-like hafnium nitride metallization under various thickness[J]. Microelectronic Engineering, 2006, 83(2):312-318.
[11] 張磊. 物理氣相沉積法制備TiN,CrN,TiAlN及TiAlN/氮化復(fù)合涂層的性能研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2015.
[12] 吳笛.物理氣相沉積技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011(4):214-216.
[13] 鐘一昌. 磁控濺射TiN基涂層制備與性能研究[D].贛州:江西理工大學(xué),2016.
[14] 曹殿鵬,鄒樹(shù)梁,肖魏魏,等. 預(yù)處理和濺射工藝參數(shù)對(duì)鋯合金表面 TiN 涂層膜/基結(jié)合強(qiáng)度的影響[J]. 原子能科學(xué)技術(shù),2018,52(11):2095-2100.
[15] 李海濤,程?hào)|海,師超,等. 保溫時(shí)間對(duì)Ti/TiN/TiCN涂層結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力及耐磨性的影響[J/OL].表面技術(shù):1-11[2021-12-03]. http: //kns. cnki.net/kcms/detail/50. 1083. TG. 20211026.2139.040. html.
[16] 吳高陽(yáng),劉廣軍,俞梓儀.含鋁添加劑的珠光體灰口鑄鐵車削用刀具切削參數(shù)與磨損機(jī)理試驗(yàn)分析[J].機(jī)電工程,2020,37(11):1340-1344.
[17] Chen Y C,Zhang Y G ,Chen C Q. General the ory of interdiffu?sion growth in diffusion couples [J]. Materials Science and Engi?neering A,2004,368(1-2) : 1-9.
[18] Paul A,Kodentsov A A,van L F. Physico-chemical analysis of compound growth in a diffusion couple with two-phase end-members[J]. Interme-tallics,2006,14(12) : 1428-1432.
第一作者簡(jiǎn)介：唐德文（1976-），男，湖南邵陽(yáng)人，博士，教授，研究領(lǐng)域?yàn)榻饘俨牧媳砻娓男浴?/span>
相關(guān)鏈接
