摘要：采用超真空磁控濺射鍍膜設(shè)備在AZ31鎂合金表面進(jìn)行了鋁保護(hù)膜的鍍覆，利用輝光放電光譜分析和納米壓痕／劃痕試驗(yàn)技術(shù)，研究了鍍層的成分和顯微力學(xué)性能隨薄膜深度的分布。結(jié)果表明，鋁鍍層在鎂合金基體表面形成，鍍層和基體之間存在混融的過(guò)渡層，鋁鍍層的表面硬度、彈性模量等高于鎂合金基體的，并隨深度增加而遞減，膜層與基體結(jié)合良好并表現(xiàn)出一定塑性、鍍鋁膜有利于鎂合金表面防護(hù)層的形成。
關(guān)鍵詞；磁控濺射；鎂合金；鍍鋁膜；防護(hù)層
鎂合金在腐蝕性環(huán)境中，不能像鋁合金那樣在表面形成保護(hù)性鈍化膜，而易作為陽(yáng)極遭受電偶腐蝕，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。在鎂合金的表面形成一層致密的鋁層或合金層能有效地減緩鎂合金的腐蝕[1-2]，如在鎂合金表面噴涂鋁防護(hù)層[3-4]能夠有效的形成防腐蝕保護(hù)層，但這種涂層較厚，表面粗糙度較高。
磁控濺射鍍膜是一種比較重要的物理氣相沉積鍍膜技術(shù)，濺射鍍膜是指在真空室中，利用核能粒子轟擊靶材表面，通過(guò)粒子動(dòng)量傳遞打出靶材中的原子及其他粒子，并使其沉積在基體上形成薄膜的技術(shù)。利用磁控濺射在鎂合金表面形成保護(hù)性膜層，以提高合金的防蝕性、耐磨性等已經(jīng)取得了一些可喜的進(jìn)展[5]。本文利用超真空磁控濺射鍍膜設(shè)備，在AZ31鎂合金表面進(jìn)行了磁控濺射鋁保護(hù)膜的鍍覆；利用輝光放電光譜分析技術(shù)和納米壓痕劃痕試驗(yàn)技術(shù)，研究了表面膜層的成分和顯微力學(xué)性能。
1 試驗(yàn)
1.1 材料與設(shè)備
AZ31鎂合金片，鋁靶材w（Al）＝99.99％，FJL560A超高真空磁控與離子束聯(lián)合濺射設(shè)備（中科院沈陽(yáng)科儀所），納米試驗(yàn)機(jī)（英國(guó)MML公司），JY10000RF輝光放電光譜分析儀（法國(guó)JY公司）。
1.2 鎂合金磁控濺射鍍鋁膜的制備
取1mm厚的AZ31鎂合金片材，首先對(duì)材料表面進(jìn)行打磨和拋光處理至表面粗糙度在1μm以下，超聲清洗后用丙酮清洗，然后切割為大小基本一致的小片。利用FJL560A超高真空磁控與離子束聯(lián)合濺射設(shè)備，以純鋁為靶材在鎂合金基片上鍍膜，控制氬氣壓力0.9Pa，電流12A，鍍膜時(shí)間50min。
1.3 鎂合金鋁鍍層的性能表征
利用JY10000RF射頻輝光放電光譜分析儀進(jìn)行鍍層成分的深度分析。輝光放電光譜分析是基于惰性氣體在低壓下放電的原理而發(fā)展起來(lái)的光譜分析技術(shù)，本試驗(yàn)條件為：功率40W，壓力700Pa，相差350，電極直徑4mm。
利用納米壓痕／劃痕試驗(yàn)儀對(duì)鍍膜樣品進(jìn)行壓痕／劃痕試驗(yàn)，納米試驗(yàn)機(jī)是一種基于擺試驗(yàn)的深度專感系統(tǒng)，通過(guò)電磁力加卸載。壓痕試驗(yàn)將金字塔型Berkovich金剛石壓頭壓入鍍層的表面，檢測(cè)加／卸載過(guò)程中壓入深度及荷載（為深度的函數(shù)）[6]。根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得的載荷-位移曲線，從卸載曲線的斜率求出彈性模量，而硬度值則可由最大加載載荷和壓痕的殘余變形面積求得。試驗(yàn)條件為最大荷載2N，最大深度6000mm，最小深度200mm，加／卸載速率5mN/s，最大荷載處的保載時(shí)間30s，卸載90％時(shí)熱漂哆保持時(shí)間20s，加卸載周期數(shù)25次。
納米劃痕試驗(yàn)通過(guò)探針垂直于樣品表面作相對(duì)劃動(dòng)，實(shí)時(shí)記錄載荷、劃痕深度、劃動(dòng)距離等參數(shù)。劃痕試驗(yàn)加載速率20mN/s，劃擦速度10μm/s，劃擦距離2mm，從500μm處由1mN加載到劃完時(shí)的3N，劃痕試驗(yàn)前后均采用1mN荷載（不產(chǎn)生劃痕的微小荷載）進(jìn)行表面輪廓線掃描。
2 結(jié)果與討論
圖1為利用輝光放電光譜儀測(cè)得的薄膜及其與基體界面的成分隨深度分布曲線。由圖1可知，鍍層表層一定深度范圍內(nèi)（5.8μm），由表及里鋁元素逐漸遞增并維持在最高含量，隨后又逐步遞減到最低值。而鎂元素則對(duì)應(yīng)地隨深度增加呈相反的變化趨勢(shì)。圖1表明一定厚度的鋁膜在鎂合金基體表面形成，鋁薄膜和基體之間存在一定區(qū)域的過(guò)渡層。這是由于溫度超過(guò)100℃時(shí)，鎂合金基體的硬度和韌性下降，高能量的濺射原子產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象、同時(shí)鎂原子也會(huì)在鋁鍍層中發(fā)生互擴(kuò)散移動(dòng)，在基片上形成一層濺射原子與基體原子相互溶合的擴(kuò)散層。這個(gè)擴(kuò)散層是由于原子的注入產(chǎn)生的，顯示了鋁薄膜與鎂合金基體之間的過(guò)渡。從以上成分的深度分布曲線中，可以確定鍍膜樣品的鋁膜層厚度為5.8μm，過(guò)渡層厚度為6μm，表面鍍層總厚度為11.8μm。
圖1 鍍鋁膜輝光放電光譜分析成分隨深度分布圖
圖2為用Berkovich金剛石壓頭在樣品表面周期性部分加卸載的荷載-深度曲線，圖3是由圖2確定的鍍層硬度、彈性模量隨深度的變化曲線。從圖3可以看出，樣品表面鍍層的硬度大于基體硬度，這是由于表面鋁氧化使硬度增加，同時(shí)薄膜中鋁晶體細(xì)小，致密度高的原因。由表及里，鍍層薄膜的硬度隨深度增加而逐步降低，直至達(dá)到基體AZ31鎂合金的硬度和模量值，這是由于蠕變的影響（基體先于鍍層發(fā)生屈服）以及基體硬度小于鍍層的原因。薄膜／基體的硬度是復(fù)合硬度，受到薄膜、基體及其界面性質(zhì)的影響。根據(jù)納米壓痕理論[7]，薄膜硬度只有在厚度大約1/10范圍內(nèi)受到基體的影響較小，并以此深度處的硬度作為薄膜硬度，如果薄膜硬度大于基體硬度，則硬度隨薄膜的深度增加而降低，反之如果薄膜硬度小于基底硬度，其硬度隨薄膜深度增加遞增。圖3 顯示膜層硬度隨深度增加遞減，表明膜層硬度高于基體鎂合金硬度，以鍍層深度的約1/10處確定的薄膜硬度為3.5GPa。同時(shí)彈性模量由表及里也隨深度遞減，由于鍍層鋁晶粒分布均勻、致密，表現(xiàn)出彈性模量較基體有了較大提高，在鍍層深度達(dá)到2.5μm以后，彈性模量變化平緩，在過(guò)渡區(qū)與基體接近，界面區(qū)域彈性模量與基體接近有利于減小鍍層與基體之間的彈性失配，改善兩者之間的變形協(xié)調(diào)性，從而提高鍍層與基體之間的結(jié)合力，減緩鍍層失效。
圖2 鍍鋁膜的納米壓痕載荷－深度曲線
圖3 鍍鋁膜的硬度及模量－塑性深度分布
圖4表示了劃痕試驗(yàn)輪廓曲線。從劃擦前的表面輪廓線①看，鍍層表面粗糙度在2μm以下，無(wú)較大峰谷變化點(diǎn)，這是鋁及其氧化物晶體在基體上按島狀生長(zhǎng)成膜時(shí)形成的表面形貌[8]，晶粒細(xì)小，堆積均勻。劃痕曲線顯示在深度達(dá)到8.8μm時(shí)，深度開(kāi)始發(fā)生突變，波動(dòng)較大，此為鍍層失效的臨界點(diǎn)，接近于鍍層與基體界面區(qū)。此時(shí)的法向荷載即臨界荷載Lc為1.33N。臨界荷載代表了鍍層抵抗外力破壞的綜合能力，由鍍層、基體及其界面性質(zhì)共同決定。劃擦后的劃痕輪廓線③顯示劃痕深度比劃擦過(guò)程中的②減小了許多，這是由于卸載后材料彈性恢復(fù)使得劃痕在深度上回彈，是材料彈塑性的表現(xiàn)。
圖4 鍍鋁膜納米劃痕試驗(yàn)圖解
3結(jié)論
采用超真空磁控濺射鍍膜技術(shù)，以純鋁為靶材在AZ31鎂合金基體上進(jìn)行了鋁防護(hù)層的鍍覆。鍍層表層和基體之間存在混融的過(guò)渡層；鋁鍍層的表面硬度、彈性模量高于鎂合金基體的并隨深度增加而遞減；鍍層表面粗糙度在2μm以下，膜層與基體結(jié)合良好并具有一定彈塑性能；鍍層失效的臨界載荷為1.33N。鍍鋁膜有利于鎂合金表面防護(hù)層的形成。
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