采用真空陰極電弧沉積技術，在TC11 鈦合金表面沉積同等厚度的三種不同調制周期Ti-TiN-Zr-ZrN 軟硬交替多層膜。用掃描電鏡、顯微硬度計、結合力劃痕儀和砂粒沖刷試驗儀分析測試了多層膜的厚度、表面及截面形貌、硬度、膜/基結合力和抗砂粒沖蝕磨損性能等；重點研究了調制周期的改變對多層膜性能的影響。結果表明：隨著周期數的增加，單一調制周期變薄，膜層中金屬“液滴”顆粒等缺陷減少，同時也增加了大量的層間界面；層界面之間反復形核，晶粒細化，有利于多層膜表面光潔度、致密度、硬度、結合力和抗砂粒沖蝕能力的改善。

　　為有效地控制和減少固體粒子沖蝕磨損造成的損耗，提高部件的使用壽命，近年來科技工作者進行了多方面的研究。其中，在材料表面涂覆一層抗沖蝕磨損防護涂層是一種行之有效且節約資源的措施。在眾多抗沖蝕涂層中，氣相沉積氮化物硬質薄膜以其優良的耐磨性能、附著力和表面光潔度等特點，早在20 世紀90 年代就在航空用發動機壓氣機中得到應用。但隨著技術的發展，單層的氮化物硬質薄膜(如TiN) 也體現出一些不足，如隨著厚度的增加，膜層內應力增大，與基體的結合力變差，容易出現脫落；同時，耐蝕性和抗沖擊性也較差，難以滿足抗沖蝕的使用要求，故需要改進單層膜體系以滿足工程要求。

　　為進一步提高硬質薄膜的性能，特別是抗沖蝕磨損性能，眾多研究人員采用多層結構來降低內應力、增加膜層韌性及厚度，使其與基體材料結合牢固的前提下，具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和抗沖擊性。

　　本文采用真空陰極電弧沉積技術，在不同靶位裝上金屬Ti 和Zr 靶，制備Ti-TiN-Zr-ZrN多周期軟硬交替多層膜。采用Ti-TiN-Zr-ZrN 多周期軟硬交替多層膜主要是基于金屬氮化物陶瓷薄膜耐腐蝕性好、硬度高和耐磨性佳，但抗沖擊性能差；因此，在金屬氮化物陶瓷薄膜插入金屬軟層，可大幅度地提高膜層韌性和降低膜層的內應力。這樣通過Ti 和Zr交替實現層間成分的改變，可有效地阻止柱狀晶的長大，起到細化晶粒，增加界面，從而得到硬度更高、耐磨性和韌性更好的多元多層膜。并研究對比了調制周期的改變對Ti-TiN-Zr-ZrN 多層膜性能的影響，以期優化出一種綜合性能佳的抗沖蝕多層膜。

　　1、試驗方法

　　1. 1、樣品的制備

　　本實驗使用的基體材料，主要是TC11 鈦合金(Ti-6Al-3. 5Mo-1.8Zr) ，尺寸為Φ20 mm × 5 mm，表面磨光至粗糙度Ra < 0.4 μm，同時使用拋光(100)單晶Si 片基體供觀察截面柱狀晶生長情況。樣品鍍膜前清洗流程為：5%金屬清洗劑溶液超聲波除油→去離子水沖洗→去離子水超聲→去離子水沖洗→脫水→烘干。

　　實驗設備為AS700DTX 型自動控制十二弧源陰極電弧鍍膜機，爐內分三列可共裝12 個Φ100 mm圓形靶，其中兩列共裝8 個Ti 靶( 純度> 99.9%) ，另一列裝4 個Zr 靶( 純度> 99.9%) ，通過調節氣體流量和依次啟動Ti 靶和Zr 靶，沉積Ti-TiN-Zr-ZrN多層膜，Ti-TiN 層和Zr-ZrN 層的厚度比例為1：1，金屬層與金屬氮化物層的比例為1：6。以Ti-TiNZr-ZrN 四層結構為一個周期，在保持不同調制周期的多層膜總厚度為同一水平的基礎上，通過計算機程序控制每個周期的沉積時間，分別沉積3、12 和24周期的多層膜。

　　試驗用的氣體為99.999% 高純氮氣和氬氣。在薄膜沉積前用- 1000 V 偏壓進行離子轟擊清洗30 min。主要的沉積參數：沉積溫度：300 ～350℃，偏壓：-100 ～-150 V，N2壓強：0.5 ～1.0 Pa，靶電流：80 ～100 A。

　　1.2、測試方法

　　用Nova NanoSEM 430 型超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察膜層表面和截面形貌。采用MH-5D 型硬度計測量膜層的維氏顯微硬度，載荷為25g，保載時間15s。采用PHI-700 型納米掃描俄歇電子能譜(AES) 分析膜層成分深度分布。采用HH-3000 薄膜結合強度劃痕試驗儀測試膜/基結合強度，劃痕實驗采用最大載荷100 N，加載速度100 N/min，劃痕速度5 mm/min。抗沖刷性能采用AS600-特制噴砂試驗機按ASTM G76-05 標準進行，用有棱角的剛玉(Al2O3) 砂粒，砂粒大小約55μm，砂粒速率為30± 2m/s，進砂速率約為2 ± 0.5 g/min，分別采用30°± 2°和90°± 2°沖刷攻角進行試驗。

　　3、結論

　　采用真空陰極電弧離子鍍技術，在TC11基體表面制備了3 種不同調制周期的Ti-TiN-Zr-ZrN多周期軟硬交替多層膜，多層膜的性能隨調制周期的變化呈如下規律：

　　(1) 在多層膜總厚度相當條件下，隨著周期數的增加，每一調制周期厚度變薄，膜層中金屬“液滴”顆粒等缺陷減少和變小，有利于多層膜表面光潔度和平整度的改善。

　　(2) 隨著周期數的增加，增加了大量的層間界面，各層界面之間反復形核，從而晶粒細化，同時“缺陷”減少，有利于薄膜致密度、硬度和結合力的提高。

　　(3) 周期數的增加，多層膜抗砂粒沖蝕能力也隨之提升；同時，多層膜在30°攻角的抗沖蝕性能明顯優于90°攻角。