钛表面电弧离子镀沉积钯膜层的研究

第36卷2007年第12期12月稀有金属材料与工程RAREMEl：AL^伽ERIAI，SANDENGINEER皿町G、，01．36．No．12December2007钛表面电弧离子镀沉积钯膜层的研究李争显1，一，张跃飞3，王宝云2，王少鹏2，严鹏2，徐重1(1．太原理工大学，山西太原030024)(2．西北有色金属研究院，陕西西安7lOOl6)(3．北京印刷学院，北京102600)摘要：利用电子显微镜、x射线衍射仪、显微硬度试验机等分析手段，对采用焊接复合式靶材，在钛表面沉积出的钯膜层进行分析研究。结果表明：钯膜层具有电弧离子镀典型特征，膜层的厚度为1．2～2¨m，膜层致密。提高膜层的沉积温度使膜层与基体之间生成Ti4Pd相。膜层的表面硬度约为2GPa，在膜层与基体之间由于生成了Ti4Pd相，硬度增加至U2．8GPa。关键词：钛表面；电弧离子镀；钯膜层；性能中图法分类号：TGl46．2+3；TGl74．444文献标识码：A文章编号：1002—185x(2007)12-2152—04纯钛具有良好的耐蚀性能，已在许多工业领域得到广泛的应用。但在稀Hcl，H2S04以及高温氯化物等介质中，存在均匀腐蚀以及缝隙腐蚀等现象。历史上已经发生了多起严重的腐蚀事件，造成了巨大的经济损失。人们通过在纯钛中加入合金元素(如Pd，Ta，Mo等)显著提高了钛材的耐蚀性能。M．Stern，H．wissenberg研究表明，在纯钛中加入微量的Pd元素可以提高纯钛在盐酸和硫酸中的耐蚀性能⋯。通过近50年的研究和开发，在TiPd系合金中，Ti一0．2Pd已成为典型的钛钯合金，广泛地用于石油、化工以及特殊的工业部门。众所周知，钯是一种价格昂贵的贵金属，在Ti．0．2Pd中虽然只有0．2％的Pd，但已使该合金的价格大幅度提高，限制了Ti一0．2Pd合金的应用。为了降低成本，围绕降低Pd的用量开展了许多研究工作。Kazuhiro．Taki研究了采用大气热处理的方法在钛表面沉积Pd和Pd0涂层，耐蚀性能与Ti一0．15Td相当[21。但它的缺点是膜易脱落。有学者采用离子注入工艺在钛表面注入了Pd，在钛表面得到了Ti．Pd合金，但是，由于注入层的厚度不足，提高的耐蚀性能有限。腐蚀首先发生在表面，因此，在表面上制备一层致密、耐蚀的膜层，就可以提高材料的耐蚀性能。研究表明，在钛表面沉积贵金属膜层可以大幅度提高钛材的耐蚀性能。本实验对用电弧离子镀技术在钛表面沉积的钯膜层进行了分析研究。1实验1．1实验方法及设备一实验样品材料选用厚度为2mm的TAl工业纯钛，经机械加工成50mm×50mm的正方形，经过酸洗、抛光、清洗后装入真空离子镀设备中。靶材选用钯含量为99．995％，厚度为3mm的高纯钯片，采用图l所示的焊接式复合结构，制成直径为80mm的电弧离子镀靶。钯层的沉积在ASP一800型多功能离子镀设备上进行。对制备的试样用日本电子公司的JSM一6460电子显微镜观察渗层结构；用RigakuD／MAX2200型X射线衍射仪测定膜层的相结构；用AkashiCo印orationM一400．Hl显微硬度试验机检测膜层的硬度。图l焊接式电弧离子镀钯靶结构Fig．1StmctureschematicofPdweldingtarget1．2试样膜层的沉积收到初稿日期：2007．09．05；收到修改稿日期：2007—10．26基金项目：北京印刷学院北京市重点实验室(印刷包装材料与技术)开放课题基金：国家自然科学基金(30470486／C010515)作者简介：李争显，男，1962年生，博士研究生，教授，西北有色金属研究院腐蚀与防护研究所，陕西西安710016，电话：029．86231077，E-mail：liz)【@c-nill．com万方数据第12期李争显等：钛表面电弧离子镀沉积钯膜层的研究钛表面钯膜的沉积是在多功能真空离子镀设备中完成的。该镀膜机具有4个平面电弧源和一个柱状电弧源，放电电流可以在25～150A范围内调整。配置的工件的负偏压电源具有频率可调的脉冲特性。针对镀贵金属的特点，工件架设计为具有独立的公转和自转特性，能很好收集等离子体中的贵金属离子，提高了沉积效率，节约了贵金属。另一方面，钛是一种活性金属，易于与空气中的氧、氮等气体元素反应，生成钛的氧化物或氮化物。这些杂质对沉积纯金属膜有着非常大的危害，因此，要求膜层沉积时的本底真空度尽可能高。因此，在钛表面沉积贵金属钯膜层的主要工艺参数取值范围如下：本底真空度：<3×10。Pa；氩气分压：8×10～～8×10。Pa；电弧电流：30～65A；负偏压电压：1000v(辉光清洗时)，500～600V(沉积时)；工件温度：150～620℃；由于本实验采用的是焊接式复合靶，考虑到膜层沉积时电弧靶表面持续的高温不易得到冷却，因此，沉积采用