基于表面纳米化的硬质薄膜膜基界面制备工艺及其关键问题研究

硬质薄膜向高强、高韧方向发展对金属基体的承载能力和膜基结合性能提出了更高的要求。表面纳米化在金属基体上形成的纳米晶粒表层及其纳米晶粒氮化层不仅为硬质薄膜提供了力学性能更为优越的基底材料，而且纳米晶粒基底可以通过促进膜基界面元素扩散和影响膜层的形核与早期生长而强化膜基界面，为改善膜基结合性能提供新途径。本项目拟以几种典型钢基体/硬质薄膜体系为例，研究沉积金属过渡层、氮离子注入、等离子氮化、离子束界面混合等界面制备工艺和膜层沉积过程中，纳米晶粒基底对膜基界面元素扩散、界面结构、膜层的形核与早期生长、膜基结合性能的影响以及膜层和基底的残余应力，以期优化膜基界面制备工艺。这些问题的研究，不仅可为改善硬质薄膜膜基结合性能、制备高性能硬质薄膜膜基体系提供理论和技术基础，而且扩展了金属表面纳米化的研究和应用范围。

硬质薄膜向高强、高韧方向发展对金属基体的承载能力和膜基结合性能提出了更高的要求。研究表明，表面纳米化可以显著改善金属材料的表面力学性能，并促进氮、铬等原子的热扩散。本项目以304不锈钢基体为例，考察了表面纳米化对真空沉积TiN、CrN和金刚石碳（DLC）薄膜力学性能的影响。不锈钢经过表面纳米化处理形成了厚约30um的硬化层，显著提高了膜基体系在压入、划痕、冲击和磨损实验时的承载能力，纳米晶粒表层也影响了膜层的晶体取向和柱状结构，纳米晶粒表层在镀膜过程中还促进了膜基界面的原子扩散。以上因素使304不锈钢基体/硬质薄膜的力学性能得到改善。因此，基体硬化层和基体表面的纳米结构对改善硬质薄膜体系的力学性能有重要作用，这对结构薄膜以及各种功能薄膜的力学性能研究都有参考意义。. 二氧化钛是一种多功能的氧化物陶瓷。在制备氧化物薄膜的方法中，溶胶-凝胶法具有工艺简便、膜层成分容易控制、均覆性好等优点，但也存在膜层容易开裂、结合性能差的问题。本项目对医用镍钛合金和316L不锈钢进行表面纳米粗化，发现粗化预处理改善了二氧化钛薄膜的结构完整性和附着性，二氧化钛薄膜改善了基体材料的生物相容性。表面纳米粗化预处理方法也可用于改善其它溶胶-凝胶薄膜的结构和性能。. 此外，本项目还研究了奥氏体不锈钢的盐浴渗氮，也尝试了活性屏等离子体渗氮。两种渗氮方法在不锈钢表面形成了纳米晶粒的渗氮层，不仅提高了基体的表面硬度，而且渗氮层的韧性也得到改善。细化晶粒为改善金属材料渗氮层的韧性提供了新方法。