0. 引言

鈦及鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。然而，鈦合金的硬度低且摩擦學(xué)性能差，具有摩擦因數(shù)高且不穩(wěn)定、黏著磨損嚴(yán)重、微動(dòng)磨損敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)，這限制了其在磨損領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。

通過表面改性可以有效改善鈦合金的摩擦學(xué)性能。常用的表面改性技術(shù)有微弧氧化、化學(xué)鍍、激光熔覆、熱噴涂、化學(xué)熱處理、離子注入技術(shù)、電鍍、物理氣相沉積（PVD）等[3]。微弧氧化技術(shù)制備的氧化層具有較好的耐腐蝕性，在高載荷下具有一定的承載能力和耐磨性，但是該技術(shù)存在噪聲大、能耗高等問題[4]。化學(xué)鍍層厚度均勻、致密性高，但該技術(shù)所需溶液造價(jià)過高。激光熔覆技術(shù)具有熱影響區(qū)小、能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，但存在涂層開裂、組織缺陷等問題[5]。熱噴涂[6]具有設(shè)備輕便、工藝靈活、涂層厚度可控等優(yōu)點(diǎn)，但涂層存在微孔、強(qiáng)度較低等問題。化學(xué)熱處理[7]具有設(shè)備簡單、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提高表面硬度和耐磨性，但其滲速慢,滲層不易控制，效率低，具有一定的局限性。離子注入技術(shù)[8]可精確控制注入離子的種類、劑量和深度，從而得到特定的表面性能，但存在設(shè)備成本高、處理效率較低、離子注入深度有限以及對(duì)復(fù)雜三維形狀工件處理難度較大等不足。電鍍[9]可在導(dǎo)電體表面形成均勻、連續(xù)、厚度可控的金屬鍍層，工藝相對(duì)簡單、成本較低，但對(duì)于塑料、陶瓷等非導(dǎo)電體，需要先進(jìn)行特殊的前處理才能進(jìn)行電鍍，而且部分電鍍工藝會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。PVD技術(shù)在真空室中采用輝光、弧光放電或加熱蒸發(fā)方法將靶材蒸發(fā)成氣體分子，再將其沉積到基體表面形成涂層[10]，具有涂層均勻致密、結(jié)合力好、厚度可控性好、重復(fù)性高、無需熱激活、黏結(jié)性良好等特點(diǎn)，適用于大規(guī)模工業(yè)流水線生產(chǎn)，是一種極具前景的鈦合金表面改性技術(shù)[11]。目前，雖然關(guān)于鈦合金表面PVD涂層的研究眾多，但系統(tǒng)性歸納和總結(jié)較少。為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者介紹了常見的PVD涂層種類，系統(tǒng)闡述了常用的PVD技術(shù)特點(diǎn)及其工藝參數(shù)對(duì)涂層力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響，指出了目前耐磨鈦合金表面PVD涂層制備上存在的問題，對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1. 常見PVD涂層種類

1.1 類金剛石涂層

類金剛石（DLC）是近年來興起的一種新型涂層材料，兼具金剛石和石墨的優(yōu)良特性，其sp2雜化鍵（石墨結(jié)構(gòu)）具有自潤滑的作用，賦予DLC涂層優(yōu)異的耐磨性能，使其在機(jī)械、航空航天、海洋產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[12]。MANHABOSCO等[13]研究發(fā)現(xiàn)，DLC涂層的化學(xué)惰性和阻隔效應(yīng)能使TC4合金磨損體積損失降低3個(gè)數(shù)量級(jí)。HE等[14]在鈦合金表面沉積了微凹坑織構(gòu)DLC涂層，發(fā)現(xiàn)由于微凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)磨屑的儲(chǔ)存作用以及凹坑形貌誘導(dǎo)石墨化，合金耐磨性能得到顯著提高。

在鈦合金表面沉積的DLC涂層的內(nèi)應(yīng)力較大，易從鈦合金表面脫落。通過摻雜鋯、鉻[15]等合金元素，使涂層內(nèi)形成納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以以晶界擴(kuò)散的方式釋放內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)合力，增強(qiáng)抗剝落性[16]。MOHAN等[17]研究發(fā)現(xiàn)，鋯的摻雜提高了DLC涂層在Ti-13Nb-13Zr合金基體上的附著力，增加了DLC涂層的無序性，提升了摩擦學(xué)性能。TOTOLIN等[18]在TC4鈦合金表面沉積了鎢摻雜DLC涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層的化學(xué)惰性較強(qiáng)，且易形成低剪切強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移膜，因此磨損體積損失較小，耐腐蝕磨損性能優(yōu)異。HATEM等[19]在TC4鈦合金表面沉積了鈦摻雜DLC涂層，該涂層表面的開路電位明顯高于基體，耐腐蝕磨損性能較好。向涂層中摻雜一些非金屬元素，不僅可以鈍化摩擦界面，還可以與涂層中的碳、氫原子發(fā)生鍵合，進(jìn)而顯著改善摩擦磨損性能[20]。代明江[21]在TC4鈦合金表面沉積了硅摻雜DLC涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層在摩擦過程中會(huì)生成SiO2膜，起到一定的潤滑作用，涂層的平均摩擦因數(shù)為0.133，相比未摻雜硅DLC涂層（0.302）大幅減小。唐邕濤[22]在TC4鈦合金表面沉積了氮摻雜DLC涂層，相比未摻雜涂層，其較高的氮含量提升了膜基結(jié)合力，使得磨損過程中涂層的裂紋減少且不易擴(kuò)展，對(duì)基體起到穩(wěn)定的保護(hù)作用。

1.2 改性氮化物涂層

早期研究的氮化物涂層主要為二元涂層，如TiN、CrN等。20世紀(jì)80年代，TiN涂層因具有較高的硬度和優(yōu)異的耐磨損性能，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用[23]。CrN硬度在19Gpa左右，相比TiN（21Gpa）略低，但其具有良好的韌性，較強(qiáng)的膜基附著性和較低的摩擦因數(shù)[24]。通過添加鋁、鉻、銀等金屬元素或硼、碳、硅等非金屬元素對(duì)涂層進(jìn)行改性，可以賦予涂層新的特性[25]，使其更適應(yīng)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需求。

由于氮原子和鋁原子的半徑不同，在氮化物涂層中添加鋁元素會(huì)發(fā)生晶格畸變，導(dǎo)致涂層硬度提高，從而提升耐磨性。柳榮等[26]在TA19鈦合金表面沉積了TiAlN涂層，發(fā)現(xiàn)摩擦熱誘導(dǎo)形成的Al2O3起到了固體潤滑劑的作用，使得TiAlN涂層的體積磨損率較基體大幅降低[27]。GóMEZ-OVALLE等[28]研究發(fā)現(xiàn)，通過陰極電弧PVD技術(shù)制備的面心立方結(jié)構(gòu)Al0.66Ti0.33N涂層在700℃下的摩擦因數(shù)僅為0.2。CHEN等[29]在Ti-6Al-4V合金表面沉積了銀摻雜AlCrN涂層，發(fā)現(xiàn)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，且銀在摩擦過程中的剪切力作用下會(huì)形成“棒狀物磨屑”，充當(dāng)潤滑物，顯著降低氮化物涂層的摩擦因數(shù)。李銅[30]研究發(fā)現(xiàn)，磁控濺射沉積Ag-TiN涂層形成了面心立方結(jié)構(gòu)TiN，TiN晶粒尺寸相比未摻雜銀時(shí)減小。莊琛琪[31]研究發(fā)現(xiàn)，TiCrN涂層的體積磨損率為3.2×10−5mm3·N−1·m−1，相比TC4鈦合金基體（5.4×10−4mm3·N−1·m−1）大幅下降，這歸因于涂層中的TiN、TiCrN2等硬質(zhì)相可以降低涂層表面與對(duì)磨副之間的黏著傾向。TiCN是TiN和碳的固溶體，與TiN同屬面心立方結(jié)構(gòu)，因此可以在TiN涂層中摻雜碳，通過固溶強(qiáng)化作用顯著增大涂層硬度，從而提高磨損抗力。萬強(qiáng)[32]在TiN涂層中引入硅元素，發(fā)現(xiàn)硅的加入可以細(xì)化晶粒，提高硬度，降低摩擦因數(shù)。SHAN等[33]研究發(fā)現(xiàn)，硅摻雜也能提高CrN涂層的硬度和致密性，降低磨損率。

研究人員還嘗試通過兩種或多種元素共摻雜來提高氮化物涂層的耐磨性能。吳一若等[34]研究發(fā)現(xiàn)，如用鋁原子置換Cr2N中的鉻原子，會(huì)形成（Cr，Al）N硬質(zhì)固溶相，同時(shí)加入硅細(xì)化晶粒，涂層的硬度可以提高至3222HV，摩擦因數(shù)可降低至0.22。CHANG等[35]研究發(fā)現(xiàn)，AlCrTiSiN涂層的硬度高達(dá)41.14GPa，摩擦因數(shù)為0.22，硅、鈦、鉻元素的復(fù)合添加細(xì)化了晶粒，增強(qiáng)了涂層的耐磨性。翟力[36]研究發(fā)現(xiàn)，CrAlSiN涂層的體積磨損率為5.42×10−7mm3·N−1·m−1，相比鈦合金基體降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)橥繉哟嬖诜蔷Ч瑁梢砸种拼箢w粒生長，減少塑性變形，同時(shí)鋁的加入形成了Al2O3氧化膜，可以阻礙外界氧元素向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，起到保護(hù)層的作用。

綜上，在氮化物涂層中摻雜金屬元素可以細(xì)化晶粒，提升致密性，摻雜非金屬元素可以促進(jìn)非晶包覆納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)形成，從而改善涂層的力學(xué)和摩擦學(xué)性能[37]。

1.3 復(fù)合氮化物涂層

PVD制備單層氮化物涂層因氮化物晶體呈柱狀結(jié)構(gòu)生長，通常存在針孔和大顆粒等缺陷，導(dǎo)致涂層抵抗裂紋擴(kuò)展的能力下降[38]。為解決這一問題，研究人員采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備復(fù)合氮化物涂層，這種涂層可綜合各單層涂層的優(yōu)勢，從而獲得更加優(yōu)異的摩擦學(xué)性能[39]。

TiAlSiN/TiN多層涂層通常存在由納米晶和非晶鑲嵌形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中難以形成位錯(cuò)，非晶相可以阻擋晶界滑移，且兩相間界面能夠增強(qiáng)微裂紋擴(kuò)展阻力，因此涂層具有高硬度和高耐磨性[40]。MA等[41]采用多弧離子鍍?cè)赥C18鈦合金表面制備了TiAlSiN/TiN多層和TiAlSiN單層涂層，發(fā)現(xiàn)在最大載荷2mN下，多層和單層涂層的壓痕深度分別為83.0，96.8nm，多層涂層的摩擦因數(shù)曲線較為穩(wěn)定，具有最低的體積磨損率。黃雪麗等[42]研究發(fā)現(xiàn)，TiN/CrN納米多層涂層的平均硬度隨調(diào)制周期縮短而增大，體積磨損率隨之減小，當(dāng)調(diào)制周期為12nm時(shí)，涂層硬度最大，高達(dá)31Gpa，體積磨損率最小，僅為1.18×10−7mm3·N−1·m−1。WIECI?SKI等[43]在鈦合金表面沉積Cr/CrN納米多層涂層，發(fā)現(xiàn)：多層涂層頂部第一層為CrN，最后一層為鉻，CrN作為最外層能夠保證較高的抗塑性變形能力，涂層磨損體積損失相比基體降低，鉻作為與基體的接觸層，能夠降低界面應(yīng)力，提高附著力；當(dāng)鉻層到CrN層的調(diào)制比為0.81時(shí)，涂層最致密，無孔隙和裂紋等缺陷。YONEKURA等[44]采用電弧離子鍍法在Ti-6Al-4V合金基體上沉積Cr/CrN多層涂層，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)疲勞裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展至Cr/CrN界面時(shí)，CrN頂層發(fā)生脫落，鉻底層發(fā)生磨損，高硬度的CrN碎屑起到磨料的作用，造成嚴(yán)重的磨粒磨損；隨著涂層層數(shù)增加，CrN頂層厚度變薄，涂層硬度增加但增幅不大，3層Cr/CrN涂層耐磨性最佳。

總之，與單層氮化物涂層相比，通過多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高氮化物涂層的硬度和力學(xué)性能。同時(shí)，調(diào)制周期和調(diào)制比對(duì)多層涂層的結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響[45]，具有適當(dāng)調(diào)制周期和調(diào)制比的多層涂層表現(xiàn)出更優(yōu)異的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。

1.4 梯度涂層

梯度涂層是指成分、結(jié)構(gòu)沿某一方向呈梯度變化的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層。梯度涂層用梯度界面取代了尖銳界面，實(shí)現(xiàn)了從一種性能到另一種性能的平滑過渡，彈性模量、泊松比、剪切彈性模量、熱膨脹系數(shù)等均沿設(shè)計(jì)方向連續(xù)變化。在垂直于涂層的方向上，梯度涂層中不同組分的配比是漸變的，這可以有效減少內(nèi)外界面的應(yīng)力集中，提高涂層與基體的黏結(jié)能力，從而提高摩擦學(xué)性能[46-47]。CAI等[48]采用直流反應(yīng)磁控濺射沉積了梯度納米TiN涂層，該涂層與鈦合金基體之間的結(jié)合力高達(dá)81 N，遠(yuǎn)高于單層TiN涂層，摩擦因數(shù)僅為0.24，具有良好的耐磨性能。單湘衡[49]研究發(fā)現(xiàn)，Nb2O5/Nb2O5-Ti/Ti梯度涂層無明顯分層現(xiàn)象，且層間結(jié)合良好，中間層的加入阻礙了柱狀晶生長的連續(xù)性，提高了涂層致密性，其體積磨損率為2.56×10−5mm3·N−1·m−1，相比基體、Nb2O5單層涂層、Nb2O5/Ti雙層涂層分別降低了90.42%，89.28%，86.28%。陶冶[50]采用磁控濺射技術(shù)在TC4鈦合金表面沉積了羥基磷灰石/TiN梯度涂層，發(fā)現(xiàn)致密耐磨TiN中間層的加入提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，從而提升了耐磨性。

目前，梯度涂層的硬度和厚度仍需提高，硬度不足導(dǎo)致涂層在摩擦過程中更易發(fā)生磨損，從而縮短使用壽命，厚度不足則導(dǎo)致無法提供足夠的支撐和保護(hù)作用，特別是在承受重載或沖擊時(shí)。梯度涂層成分、組織結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能之間的關(guān)系還需進(jìn)一步探究[51]。

2. 常用PVD技術(shù)

2.1 磁控濺射技術(shù)

磁控濺射技術(shù)以膜材為陰極、基片為陽極，在輝光放電作用下，將通入真空室的氬氣轉(zhuǎn)變?yōu)闅咫x子，氬離子不斷對(duì)膜材進(jìn)行轟擊，使膜材轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀喾肿硬⒊练e到基片表面[52]。磁控濺射史經(jīng)歷了從傳統(tǒng)磁控濺射、非平衡磁控濺射到閉合場非平衡磁控濺射的過程。傳統(tǒng)磁控濺射的等離子體區(qū)較窄[53]，非平衡磁控濺射拓寬了等離子體能到達(dá)的范圍，閉合場非平衡磁控濺射的基體周圍具有稠密的等離子體，提高了靶材離子的濺射效率[54]。磁控濺射技術(shù)的工藝參數(shù)主要包括濺射功率、靶基距、沉積溫度和基底偏壓等，下面對(duì)其進(jìn)行具體介紹。

2.1.1 濺射功率

濺射功率決定了靶材原子的動(dòng)能，增大濺射功率會(huì)提高從靶材離開的粒子能量，加快沉積速率，增加涂層厚度[54]。吳彼[55]探究了濺射功率對(duì)二硼化鈦涂層摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)濺射功率為500W時(shí)，涂層具有細(xì)密的柱狀晶結(jié)構(gòu)和較低的硬度，這種組合可以提高與基體的協(xié)調(diào)抗變形能力和對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙能力，降低涂層磨損率。研究[32]發(fā)現(xiàn)，隨著濺射功率增加，沉積原子和原子團(tuán)能量增大，這有利于晶體生長，促進(jìn)晶粒均勻分布，涂層硬度也隨之增大，摩擦因數(shù)先減小后增大，最小值為0.42。濺射功率不但會(huì)影響表面硬度，還會(huì)影響涂層與基體之間的結(jié)合力。劉輝[56]研究發(fā)現(xiàn)，隨著濺射功率增加，涂層結(jié)合力先增大后減小，耐磨性先增強(qiáng)后減弱。在適當(dāng)范圍內(nèi)提高濺射功率可以增加電離離子數(shù)量，使其在與濺射粒子的碰撞過程中傳輸更多能量，因此粒子與基體結(jié)合緊密，缺陷少；但當(dāng)功率過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生離子注入現(xiàn)象，使得涂層粗糙，結(jié)合力下降。

綜上，在一定范圍內(nèi)，隨著濺射功率增加，磁控濺射涂層的厚度、沉積速率、結(jié)合力和表面硬度等都增大，但當(dāng)濺射功率過大時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的離子注入現(xiàn)象，還會(huì)熔化靶材，導(dǎo)致基體溫度升高甚至燒壞[57]。

2.1.2 靶基距

靶基距是指靶材中心與基體中心之間的垂直距離。靶基距的增大會(huì)使從靶材離開的粒子在飛向基體的過程中與氣體分子間的碰撞頻率增加，導(dǎo)致粒子攜帶的能量被氣體分子帶走，同時(shí)靶材原子由于撞擊而減速，沉積速率減緩。齊峰等[58]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)靶基距為70mm時(shí)，TiN涂層在10000周次磨損過程中未發(fā)生大面積失效，靶基距為140mm時(shí)則早在3000周次就已經(jīng)失效；減小靶基距，可以增強(qiáng)離子轟擊作用，提升涂層致密性和耐磨性。丁佳[59]研究發(fā)現(xiàn)，隨著靶基距減小，銀涂層的硬度和彈性模量增大。研究[60]表明，雖然減小靶基距能夠提高涂層耐磨性，但靶基距過小時(shí)，濺射粒子能量過大，會(huì)導(dǎo)致涂層發(fā)生再濺射，從而降低耐磨性。因此，在保證所需耐磨性的前提下，應(yīng)盡量采用大的靶基距。LENIS等[61]評(píng)估了靶基距對(duì)羥基磷灰石/銀涂層200 °C摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)靶基距對(duì)高溫摩擦學(xué)性能幾乎無影響，這與其他研究結(jié)果不一致，可能與涂層的硬度、彈性阻力、塑性變形阻力等較低有關(guān)。

2.1.3 沉積溫度

沉積溫度決定了粒子的平均動(dòng)能，進(jìn)而影響涂層的形貌結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。張銀團(tuán)[62]研究發(fā)現(xiàn)，基體不加熱時(shí)，沉積的WTi合金涂層晶界模糊，結(jié)構(gòu)疏松多孔，加熱基體后，涂層結(jié)構(gòu)致密。馬建軍[63]研究發(fā)現(xiàn)，相比室溫沉積涂層，200 °C下沉積的DLC涂層磨損率更小。劉造保等[64]研究發(fā)現(xiàn)，隨著沉積溫度升高，涂層的力學(xué)性能先增強(qiáng)后減弱，并且在200℃下最佳。粒子的平均動(dòng)能與沉積溫度成正比。當(dāng)沉積溫度較低時(shí)，涂層表面發(fā)生原子內(nèi)陷，結(jié)合力及硬度較低；隨著溫度逐步升高，沉積速率加快，粒子到達(dá)基體表面的動(dòng)能增大，涂層致密性提升，結(jié)合力、硬度和耐磨性提升；但當(dāng)溫度過高時(shí)，粒子的平均動(dòng)能過大導(dǎo)致原子很難在初始位置上生長，涂層表面粗糙度增大，結(jié)合力、硬度以及耐磨性降低。在磁控濺射沉積過程中，應(yīng)在合理范圍內(nèi)選擇較高的沉積溫度[65]。

2.1.4 基底偏壓

基底偏壓是PVD技術(shù)中對(duì)涂層結(jié)構(gòu)及性能影響最大的參數(shù)之一，可以直接控制涂層生長過程中的吸附原子遷移率[66]。表1列舉了近年來關(guān)于不同基底偏壓下磁控濺射涂層的耐磨性能研究。由表1可知：摩擦學(xué)性能對(duì)基底偏壓非常敏感，隨著基底偏壓增大，摩擦因數(shù)先減小后增大，這是因?yàn)殡S著基底偏壓增大，吸附原子遷移率增大，對(duì)柱狀晶的生長起到了抑制作用，使得涂層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為細(xì)晶結(jié)構(gòu)，致密性提高，表面粗糙度減小；負(fù)偏壓過高時(shí)，離子轟擊作用過強(qiáng)會(huì)使涂層產(chǎn)生夾雜物、裂紋等缺陷，削弱耐磨性。

2.2 離子鍍技術(shù)

離子鍍是一種新興技術(shù)，具有沉積速率快、工藝簡單、對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[67-68]。離子鍍工作原理如下：在基體負(fù)偏壓的作用下，靶材和工件之間形成等離子體區(qū)，靶材通過加熱蒸發(fā)的方式產(chǎn)生金屬粒子，金屬粒子經(jīng)過等離子體區(qū)時(shí)與工作氣體（氬原子）及電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生正離子和中性原子，沉積到基片表面形成涂層。離子鍍涂層顯著的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)合強(qiáng)度高、致密性高、均勻性好、繞射性好、離化率大、厚度均勻[69]，其主要工藝參數(shù)包括基底偏壓、陰極弧流和沉積氣壓[70-71]。

2.2.1 基底偏壓

在離子鍍過程中，一般在基體表面施加一個(gè)負(fù)偏壓，用于形成負(fù)電場，使等離子體中的電子速度加快并在基體表面形成鞘層；鞘層對(duì)靶材蒸發(fā)出的正電離子運(yùn)動(dòng)起到加速作用，從而提升沉積速率[72]。研究[73]表明，增大基底偏壓會(huì)使高能粒子轟擊基體表面的作用增強(qiáng)，有助于除掉基體表面的大尺寸顆粒，并且提升涂層致密性。劉靈云等[74]研究發(fā)現(xiàn)，隨著基底偏壓增大，沉積速率加快，離子轟擊作用增強(qiáng)，CrAlN涂層的致密性和抗沖蝕磨損性能提升。YAO等[75]研究發(fā)現(xiàn)，隨著基底偏壓增加，TiSiN涂層的摩擦因數(shù)由0.2增大到0.4，磨損機(jī)制由黏著磨損逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔鐪夏p。王迪等[76]研究發(fā)現(xiàn)，隨著基底偏壓增加，CrAlN涂層的晶粒細(xì)化，表面粗糙度降低，耐磨性能增強(qiáng)。基底偏壓對(duì)離子鍍涂層的表面平整性、致密性、摩擦學(xué)性能有著較大影響，且影響規(guī)律較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要進(jìn)行綜合考慮。

2.2.2 陰極弧流

陰極弧流決定了離子鍍時(shí)陰極靶材蒸發(fā)的粒子能量。增大陰極弧流會(huì)使靶材溫度升高，從陰極靶材蒸發(fā)出的粒子能量變大，蒸發(fā)出的粒子數(shù)目變多，等離子體密度隨之增大，但同時(shí)蒸發(fā)出的粒子尺寸也變大[77]，同時(shí)產(chǎn)生雜質(zhì)相，不利于耐磨性能的提升。劉海[78]研究發(fā)現(xiàn)，隨著陰極弧流增大，離子鍍氮化鉻涂層的硬度先增大后減小，摩擦因數(shù)先減小后增大。鄭陳超等[79]研究發(fā)現(xiàn)，隨著陰極弧流增大，CrN涂層的表面平整性下降。從以上結(jié)果來看，雖然陰極弧流的增大在一定程度上提升了涂層的力學(xué)性能，但是由于蒸發(fā)出的粒子尺寸同步增加，往往不利于改善磨損性能。在保證硬度等力學(xué)性能的前提下，應(yīng)合理采用小陰極弧流，減少大尺寸熔滴和高能離子團(tuán)的產(chǎn)生，從而降低摩擦因數(shù)，提升涂層耐磨性。

2.2.3 沉積氣壓

沉積氣壓是指通入真空室內(nèi)的氮?dú)夥謮骸．?dāng)沉積氣壓較小時(shí)，參與放電的氣體分子數(shù)目較少，使得從靶材表面產(chǎn)生的離子密度較低，離子的平均分子自由程較長，金屬離子到達(dá)基體表面的能量較高[80]。研究[81]表明，在一定范圍內(nèi)增加氮?dú)饬髁?，可以提高氮等離子體密度，使其反應(yīng)更充分，在基體表面形成更多的氮化物，提高涂層致密性，但氮?dú)饬髁窟^大也會(huì)導(dǎo)致靶材溫度過高，出現(xiàn)液滴飛濺，增加表面粗糙度。CHANG等[82]研究發(fā)現(xiàn)：隨著氮?dú)夥謮涸黾?，CrN相的生長方向由（111）取向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椋?20）取向；（220）取向?yàn)镹aCl結(jié)構(gòu)的柱面方向，滑移系較少、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙較大，間接提高了涂層表面硬度。劉雙武等[83]研究發(fā)現(xiàn)，隨著氮?dú)夥謮涸黾樱琓iSiN涂層耐磨性增強(qiáng)。綜上，在避免參與成膜粒子的轟擊能力減弱導(dǎo)致涂層致密性降低的前提下，應(yīng)該選擇較大的沉積氣壓，以達(dá)到提升涂層耐磨性的目的。

2.3 離子束輔助沉積技術(shù)

離子束輔助沉積技術(shù)的原理是在氣體高壓放電以及氣體離子轟擊的作用下從石墨陰極中獲得碳離子，通過電場加速作用將碳離子沉積在帶負(fù)電的基體上[84]。影響離子束輔助沉積涂層耐磨性的工藝參數(shù)主要包括離子源放電電流和離子轟擊能量。

2.3.1 離子源放電電流

離子源放電電流決定了到達(dá)基體表面的原子數(shù)量。隨著離子源放電電流增加，到達(dá)基體表面的原子數(shù)量增加，原子活性增大，涂層致密性提升，同時(shí)材料的再濺射能力增強(qiáng)，離子蝕刻效應(yīng)增強(qiáng)[85]。任毅[86]研究發(fā)現(xiàn)：離子源放電電流越大，TiN涂層的缺陷數(shù)量越少，結(jié)合強(qiáng)度越大，硬度越高，耐磨性越好；但當(dāng)離子源放電電流過大時(shí)，部分氮?dú)夥肿舆M(jìn)入涂層使得TiN涂層偏離了理想化學(xué)計(jì)量比，形成孔洞，反而降低了涂層致密性，導(dǎo)致耐磨性變差。馮丹[87]研究發(fā)現(xiàn)，隨著離子源放電電流增加，Ti-Cu-N涂層的硬度先增大后減小，當(dāng)電流為30A時(shí)，硬度最大，可達(dá)39.24 Gpa，耐磨性能最佳。離子源放電電流的增加導(dǎo)致原子活性增大，促進(jìn)各原子的擴(kuò)散，使得涂層組織更加致密；但當(dāng)電流過大時(shí)，離子蝕刻作用增強(qiáng)，會(huì)造成涂層的反濺射。

2.3.2 離子轟擊能量

離子轟擊能量對(duì)涂層的生長速率有一定影響，轟擊能量過高會(huì)影響涂層生長的質(zhì)量，能量過低則起不到界面混合的作用[88]。劉鋼等[89]研究發(fā)現(xiàn)，隨著離子轟擊能量增大，DLC涂層的硬度先增大后減小。譚明等[90]研究發(fā)現(xiàn)：隨著離子轟擊能量增大，ZrN/TiAlN涂層的摩擦因數(shù)先減小后增大，當(dāng)轟擊能量為200eV時(shí)，摩擦因數(shù)最小，為0.22；這是因?yàn)檗Z擊能量在100~200eV范圍內(nèi)增大時(shí)，N+通過碰撞將能量傳遞給原子，促進(jìn)晶體的形核和生長，有助于摩擦學(xué)性能的提升，但當(dāng)轟擊能量過大時(shí)，原子排序混亂，界面的完整性遭到破壞，而且在反濺作用的影響下涂層致密性下降，摩擦學(xué)性能變差。

2.4 真空蒸發(fā)鍍技術(shù)

真空蒸發(fā)鍍簡稱蒸發(fā)鍍，由法拉第于1857年提出，是PVD中發(fā)展較早的一種技術(shù)，其原理為在真空室中加熱靶材使靶材中的固相粒子轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀喾肿樱练e到基體上形成一層固態(tài)涂層。真空蒸發(fā)鍍由靶材蒸發(fā)、氣化原子運(yùn)輸?shù)交w表面、蒸發(fā)原子聚集到基體表面[91]3個(gè)過程組成，具有操作簡單、效率高、成膜速率快、可大面積鍍膜等優(yōu)點(diǎn)[92]，但也存在涂層壽命短、均勻性難以控制、工藝重復(fù)性差等缺點(diǎn)[93]。陳曉明等[94]在Ti6Al4V合金表面采用真空蒸發(fā)鍍沉積鈦涂層，結(jié)果表明，在1000 °C下釩元素會(huì)在涂層表面富集，導(dǎo)致力學(xué)及摩擦學(xué)性能降低，這說明過高的溫度不適宜鈦合金真空蒸發(fā)鍍。由于真空蒸發(fā)鍍通常使用低熔點(diǎn)靶材，沉積的涂層主要用作裝飾，一般較少用于制備致密性好、硬度高的耐磨性涂層，因此關(guān)于鈦合金表面真空蒸發(fā)鍍的研究有限。

3. 結(jié)束語

鈦合金的硬度低，具有摩擦因數(shù)高且不穩(wěn)定、黏著磨損嚴(yán)重、微動(dòng)磨損敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)，在磨損領(lǐng)域的應(yīng)用受限。PVD技術(shù)是提升鈦合金耐磨性能的重要表面改性技術(shù)之一。常見的PVD涂層包括類金剛石涂層、改性氮化物涂層、復(fù)合氮化物涂層和梯度涂層等。常用的PVD技術(shù)包括磁控濺射技術(shù)、離子鍍技術(shù)、離子束輔助沉積技術(shù)、真空蒸發(fā)鍍技術(shù)等，工藝參數(shù)包括基底偏壓、濺射功率、沉積氣壓、沉積溫度、陰極弧流等。目前，耐磨PVD涂層及制備存在如下問題：制備工藝參數(shù)對(duì)涂層耐磨性能影響的研究并不全面，如沉積時(shí)間、蒸發(fā)功率、靶材成分等對(duì)涂層摩擦學(xué)性能的影響還有待探究；鈦合金發(fā)生摩擦磨損時(shí)一般不會(huì)只受到單一因素的作用，多因素協(xié)同作用下PVD涂層的摩擦學(xué)性能還有待進(jìn)一步研究；針對(duì)鈦合金表面改性的研究主要集中于TC4、TC11、TC18鈦合金，其他系列合金研究較少，數(shù)據(jù)不足。未來研究可以集中在以下方面：

（1）建立PVD高耐磨性涂層工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，合理控制工藝參數(shù)以探究更為理想的工作模式。

（2）系統(tǒng)研究PVD工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響，尤其從多因素耦合影響角度。

（3）通過PVD與其他表面處理技術(shù)結(jié)合，如等離子噴涂技術(shù)、離子束增強(qiáng)沉積、微弧氧化等，實(shí)現(xiàn)鈦合金耐磨性能的較大提升。

文章來源——材料與測試網(wǎng)