本文采用多弧離子鍍技術在Ti6Al4V 合金表面沉積TiCN防護薄膜，研究該薄膜在干摩擦，水及海水介質(zhì)條件下的摩擦學行為。研究結果顯示，所制備的TiCN 薄膜具有均勻致密的結構，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 的結構，Ti 主要以TiN、TiC 和TiO 三種價態(tài)形式存在。薄膜的硬度達到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度，耐高溫，耐腐蝕等優(yōu)異性能而廣泛應用于航空航天及海洋新材料領域。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用，必須要對其表面進行防護處理，以提高其使用壽命。多弧離子鍍技術沉積制備的薄膜具有高的離化率和膜基結合強度而得到廣泛應用。鈦合金表面通過物理氣相沉積技術沉積耐磨防護薄膜的研究已有一些報道，研究結果顯示制備的薄膜可顯著提高該合金的耐磨性能。但真空技術網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)有關研究水和海水環(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在Ti6Al4V 合金表面沉積TiCN 薄膜，研究了該薄膜的形貌、結構以及在干摩擦、水和海水環(huán)境條件下的摩擦學行為。

1、實驗方法

　　1.1、TiCN 薄膜的制備

　　實驗采用Hauzer Flexicoat F850 型真空多弧離子鍍膜機，基體材料選用Ti6Al4V 合金。鍍膜前鈦合金基體進行研磨拋光處理，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，氮氣流量為500 mL/min( 標準狀態(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 納米壓入儀進行測試。摩擦磨損試驗在往復式多功能UMT-3 摩擦磨損試驗機上完成。摩擦試驗加載載荷為1 N，頻率5 Hz，摩擦時間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 的結構，Ti 主要以TiN、TiC 和TiO 三種價態(tài)形式存在。

　　(3) 薄膜的硬度達到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。