氮等离子体浸没离子注入TC4钛合金的研究

1、背景简介

离子注入金属表面，可以使金属材料表面陶瓷化和金刚石化，使其披上一层十分坚固的盔甲[1]。常用的注入原子有：碳、氮、氧等，离子注入将引起金属表层的成分和结构的变化以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动，因此导致金属各种物理、化学、机械性能的变化[2-3]。

传统的离子注入是一个视线加工过程，只有暴露在离子束下的工件表面才能被离子注入，为了解决传统离子注入方法的缺陷，美国威斯康辛大学

钛合金以其优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐蚀性，近年来在航空航天、石油化工、造船、汽车、医药[5][6]等部门上得到了广泛的应用。但是钛合金较难加工的特点限制了它的广泛应用，而且钛合金在加工过程中容易出现内应力，严重影响钛合金材料的使用寿命，而PIII方法对改善材料表面应力有很好的作用。本文利用PIII技术在TC4钛合金上注入N+，通过软件模拟以及多种检测方法来研究该方法对TC4钛合金性能的改善，从而得出注入后N+在基体内的分布以及对TC4钛合金表面纳米硬度的改善。

2 实验步骤及方法

2.1、N+注入实验

经过研究，实验选用的试样材料为TC4钛合金，尺寸为3*10*10mm，组成成分见表1所示，PIII方法离子注入实验参数设定见表2所示。实验所用真空设备为北京航空航天大学材料加工工程专业现代表面改性技术课题组自主设计的离子注入且沉积复合镀膜设备，最佳真空度达到10-3数量级，能很好的满足实验要求。

实验前对钛合金试样进行表面打磨抛光处理后进行酒精超声波清洗，完成该工序后将样品放入真空炉抽真空达到10-3Pa级别后，打开高压脉冲电源通入高纯氮气进行N+注入实验。

2.2、试样检测

按照表2设定的参数对TC4钛合金试样进行N+注入实验，然后对试样分别进行XRD、XPS以及纳米硬度测试，得到相应的检测结果并分析得出相应结论。

2.3、SRIM软件离子注入模拟

该软件是基于蒙特卡洛模拟方法来实现的，该方法是通过计算机模拟跟踪一大批入射粒子的运动。粒子的能量、能量损失以及次级粒子的各种参数都在整个过程中存储下来，最后得到各种所需的物理量的期望值和统计误差，能很好的对离子注入进行模拟，得到理论上的结果。

3、实验结果及分析

3.1、SRIM软件模拟结果

基于表2设定的实验参数运用SRIM软件对TC4钛合金的N+注入进行模拟，从模拟结果上可以看到在深度为40nm时N+含量达到最大，N+注入的最大深度约为80nm，其分布幅度与范围上符合蒙特卡洛分布，效果图如图1所示。

3.2、XRD检测结果

XRD检测结果的择优方向不同，原因由于衬底负偏压往往影响TiN的择优取向。在衬底偏压较低时，TiN经常出现（111）（220）方向的择优取向；而当衬底偏压较大时，TiN容易出现（200）择优取向。出现该现象的原因是由于基体偏压对涂层的取向有着决定性的影响，该影响可以理解为：偏压较低时，粒子流能量较低，刻蚀或反溅射作用较弱，涂层沿着表面能最小取向[TiN结构中为（111）（220）晶面]生长；当偏压增加时，粒子流能量较高，涂层除了沿着表面能最小的取向生长外，还能沿着表面能较大的取向[TiN结构中为（200）晶面]生长，但是由于刻蚀或反溅射作用增强，表面能较低取向的晶粒生长被刻蚀或溅射掉，而表面能较高取向的晶粒生长变得明显。

3.3、XPS检测结果

基于表2设定的实验参数对TC4钛合金试样完成离子注入实验，取4号试样进行XPS检测以得到各元素在深度方向上的比例，得到的结果如图3所示。

由图看到随着剥蚀深度的增加，N含量逐渐上升，在剥蚀深度为40nm左右时，N元素含量达到顶峰；随着剥蚀时间的继续增加，N含量迅速减少，在剥蚀深度为80nm左右时几乎趋近于零。另外，在试样表面处由于有吸附的N元素，所以百分比例偏高。该检测结果与SRIM软件模拟的结果相吻合。

3.4、纳米硬度检测结果

基于表2设定的实验参数对TC4钛合金试样完成离子注入实验，取0-4号试样进行纳米硬度测量，结果如图4所示。

由图看出3号试样即注入时间为5h的试样纳米硬度最高，50nm-200nm硬度平均值达到27.86GPa，比0h对比样13.36Gpa的硬度提高了108%，表明该PIII方法在TC4钛合金表面注入N+的效果显著，能很好的改善TC4钛合金的表面纳米硬度。

4、结论

PIII方法N+注入TC4钛合金后对其性能有较大改善，表面纳米硬度增加108%，大大改善了TC4钛合金的表面纳米硬度。同时经过XRD和XPS检测得到表面层主要成分为TiN，并且得到了各元素在深度方向上的百分比组成。该TiN成分膜具有化学惰性、高熔点、低摩擦系数、高硬度、良好的热力学稳定性、优秀的耐磨和耐腐蚀性等优异性能，在抗磨损、抗腐蚀和抗扩散阻挡等领域得到广泛应用，同时由于TiN的生物相容性，也可施加在骨科和牙科植入物领域[7-9]。因此在TC4钛合金上利用PIII方法注入N+具有很高的研究和实际应用价值。