本文采用多弧離子鍍技術(shù)在Ti6Al4V 合金表面沉積TiCN防護(hù)薄膜，研究該薄膜在干摩擦，水及海水介質(zhì)條件下的摩擦學(xué)行為。研究結(jié)果顯示，所制備的TiCN 薄膜具有均勻致密的結(jié)構(gòu)，薄膜厚度約為1 μm。薄膜成分主要含有Ti、N 和C，并含有少量的O。C 主要為污染碳和TiC 的形式，N 為TiN 的結(jié)構(gòu)，Ti 主要以TiN、TiC 和TiO 三種價態(tài)形式存在。薄膜的硬度達(dá)到20 GPa，在大氣環(huán)境中薄膜摩擦系數(shù)約為0.35，明顯低于未鍍膜鈦合金的摩擦系數(shù)( 0.7) 。鍍膜樣品的磨損率顯著降低，未鍍膜樣品的磨損率是鍍膜樣品的132 倍。水和海水環(huán)境下TiCN 膜的摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低至0.2 左右，同時磨損率也顯著降低。與水環(huán)境相比，海水環(huán)境中TiCN 薄膜的磨損率略有增加。

　　鈦合金具有高的比強(qiáng)度，耐高溫，耐腐蝕等優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于航空航天及海洋新材料領(lǐng)域。但是鈦合金硬度不高，耐磨性不理想，特別是在高端及苛刻工況條件下應(yīng)用，必須要對其表面進(jìn)行防護(hù)處理，以提高其使用壽命。多弧離子鍍技術(shù)沉積制備的薄膜具有高的離化率和膜基結(jié)合強(qiáng)度而得到廣泛應(yīng)用。鈦合金表面通過物理氣相沉積技術(shù)沉積耐磨防護(hù)薄膜的研究已有一些報道，研究結(jié)果顯示制備的薄膜可顯著提高該合金的耐磨性能。但真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)有關(guān)研究水和海水環(huán)境中離子鍍膜鈦合金的耐磨蝕性能還少有報道。本文即采用多弧離子鍍技術(shù)在Ti6Al4V 合金表面沉積TiCN 薄膜，研究了該薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)以及在干摩擦、水和海水環(huán)境條件下的摩擦學(xué)行為。

1、實(shí)驗(yàn)方法

　　1.1、TiCN 薄膜的制備

　　實(shí)驗(yàn)采用Hauzer Flexicoat F850 型真空多弧離子鍍膜機(jī)，基體材料選用Ti6Al4V 合金。鍍膜前鈦合金基體進(jìn)行研磨拋光處理，然后在丙酮溶液中超聲波清洗三次，每次時間5 min。鍍膜溫度為450℃，本底真空度為1 × 10^-3 Pa。采用高純鈦靶沉積Ti 過渡層，在沉積TiCN 薄膜時通入N2和C2H2氣體混合氣體，氮?dú)饬髁繛?00 mL/min( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) ，而乙炔流量從0 增加到42 mL/min，為保證TiCN 薄膜中C含量漸變增加。靶功率60 A，基體偏壓為70 V。

　　1.2、薄膜的表征和測試

　　采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡( SEM S4800，日本Hitachi) 觀察試樣表面形貌以及橫截面形貌。用日本島津X 射線光電子能譜( XPS) 對薄膜進(jìn)行元素價態(tài)分析，薄膜的硬度采用美國MTS 公司G200 納米壓入儀進(jìn)行測試。摩擦磨損試驗(yàn)在往復(fù)式多功能UMT-3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上完成。摩擦試驗(yàn)加載載荷為1 N，頻率5 Hz，摩擦?xí)r間30 min，摩擦長度為5mm。摩擦副為直徑為3 mm 的Si3N4陶瓷球。使用臺階儀測試磨痕輪廓形貌，利用SEM 和能譜( EDS)觀察磨痕形貌和成分。

3、結(jié)論

　　(1) 采用多弧離子鍍在鈦合金(TC4) 表面制備了TiCN 薄膜，薄膜表面和橫截面形貌顯示膜層非常致密，薄膜厚度約為1 μm。

　　(2) 制備的薄膜主要含有Ti、N 和C 成分，并含有少量的O，各元素的原子百分含量為Ti 50%；N36% ；C 9%；O 5%。C 主要為污染碳和TiC 的形式，N 為TiN 的結(jié)構(gòu)，Ti 主要以TiN、TiC 和TiO 三種價態(tài)形式存在。

　　(3) 薄膜的硬度達(dá)到20 GPa，在大氣環(huán)境中薄膜摩擦系數(shù)約為0.35，明顯低于鈦合金基體的摩擦系數(shù)。鍍膜樣品的磨損率顯著降低，未鍍膜樣品的磨損率是鍍膜樣品的132 倍。

　　(4) 與大氣環(huán)境相比，水和海水環(huán)境中鍍膜鈦合金的摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低值0.2 磨損率也降低。與水環(huán)境相比，海水環(huán)境中的磨損率略有增加。