21世紀(jì)人類所面臨的問題主要是環(huán)境污染和資源匱乏，減少日益嚴(yán)重的環(huán)境污染、節(jié)約資源是新世紀(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)之一[1−2]。鎂是地球上第8豐富的元素，也是海水中第3豐富的元素，其在工程材料上的使用量僅次于鋼鐵與鋁，并且鎂作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，還具有高的比強(qiáng)度、良好的電磁屏蔽特性、良好的可加工性以及易于回收等優(yōu)點[3−4]。隨著鎂合金生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善和成熟，鎂合金在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，由于鎂合金的電化學(xué)活性高，導(dǎo)致其耐腐蝕性較差；并且鎂合金的耐磨性能也不夠理想，使其一直局限于靜態(tài)構(gòu)件場合使用。鎂合金的耐腐蝕性和耐磨性差這一問題阻礙它成為廣泛應(yīng)用的合金。因此，如何提高鎂合金的耐腐蝕性和耐磨性是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點之一[5−9]。

表面防護(hù)技術(shù)是保護(hù)鎂合金耐腐蝕和耐磨損的最有效的方法之一。目前，已經(jīng)有多種方法應(yīng)用于鎂合金的表面防護(hù)，包括化學(xué)轉(zhuǎn)化處理[10]、陽極氧化處理[11]、微弧氧化處理[12]、溶膠凝膠法[13]、電鍍和化學(xué)鍍[14]、氣相沉積[15]等。然而這些方法都有各自的優(yōu)缺點，如化學(xué)轉(zhuǎn)化處理是將鎂合金與處理液通過化學(xué)反應(yīng)在其表面生成穩(wěn)定的化合物膜，但這種工藝在處理過程中對環(huán)境的污染性較大，不符合綠色環(huán)保要求；陽極氧化處理是指在電解作用下，鎂合金表面在電解質(zhì)溶液中形成一層氧化膜的表面保護(hù)性技術(shù)，此工藝雖然能夠大面積沉積薄膜和處理形狀復(fù)雜的零件，但是其薄膜的力學(xué)性能較差。而磁控濺射作為物理氣相沉積（PVD）的一種沉積方式，它能沉積耐磨、耐蝕、光學(xué)和其它各種功能薄膜，并且還具有成本低、與基片結(jié)合力強(qiáng)、沉積速率快以及綠色環(huán)保等優(yōu)點，是其他傳統(tǒng)技術(shù)無法媲美的[16−17]。因此，磁控濺射作為主流的鍍膜技術(shù)之一，是薄膜工業(yè)化綠色發(fā)展的主要手段之一。

目前，國內(nèi)外通過磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面的改性研究還多針對于不同的薄膜結(jié)構(gòu)和材料展開。薄膜的結(jié)構(gòu)從單層發(fā)展到多層，從一元到二元再到多元化。由于鎂合金與陶瓷薄膜的結(jié)構(gòu)不匹配性，導(dǎo)致鎂合金表面的陶瓷薄膜很容易剝落。因此，研究人員試圖在陶瓷薄膜與鎂合金之間引入過渡層，從而形成復(fù)合涂層，過渡層主要的目的是增加膜基結(jié)合力和減少由于PVD工藝引起的孔隙率。本文綜述了鎂合金表面上的單層金屬膜層和金屬/陶瓷復(fù)合涂層的研究進(jìn)展，簡要地分析了不同類型膜層耐腐蝕和耐磨損性能的影響因素，并展望了磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面防護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展前景。

1.   鎂合金表面磁控濺射單層金屬薄膜

磁控濺射技術(shù)是在普通直流（射頻）濺射技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其原理是入射粒子不斷地碰撞靶材，致使靶材原子獲得動能被濺射出來沉積在基片上形成薄膜[18−19]。在鎂合金防護(hù)處理中，金屬涂層作為保護(hù)性涂層具有導(dǎo)電性，可避免在電子和航空航天應(yīng)用中出現(xiàn)靜電積聚[20]。另外，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，金屬涂層如鈦涂層與鎂合金相結(jié)合可用作植入材料[21]。磁控濺射技術(shù)通過鎂合金表面制備金屬膜層的方法，使鎂合金的耐腐蝕、耐磨損性能得到了一定的提升。目前，已有學(xué)者通過磁控濺射技術(shù)對AZ31、AZ91等鎂合金表面金屬防護(hù)膜層的制備展開了研究。

1.1   薄膜的耐腐蝕性

在鎂合金表面上涂覆耐腐蝕性較強(qiáng)的金屬膜層可以對鎂合金的耐腐蝕性起到強(qiáng)化作用。為此，研究人員在鎂合金表面上制備了不同金屬單質(zhì)膜層，探究了不同單質(zhì)金屬膜層對鎂合金耐腐蝕性的影響。涂層的微觀結(jié)構(gòu)是影響耐腐蝕性的關(guān)鍵因素。若涂層存在孔隙、裂紋等缺陷，會使腐蝕介質(zhì)穿過膜層到達(dá)基體表面，從而導(dǎo)致原電池的形成。表1為研究人員在鎂合金表面上制備不同金屬涂層的組織結(jié)構(gòu)。從表1中可以看出，鎂合金表面上制備的所有金屬涂層致密性較好，無孔隙和裂紋等明顯缺陷，并且涂層均勻的涂覆在基體上。

表2比較了鎂合金表面不同金屬單質(zhì)膜層的耐腐蝕性（Ecorr為腐蝕電位，SCE為飽和甘汞電極）?？芍?jīng)磁控濺射鍍金屬單質(zhì)膜層后的鎂合金試樣的腐蝕電流密度（Icorr）均低于鎂合金基體，其耐腐蝕性均得到了提高。Zhang等[22]通過同一沉積條件下在AZ91鎂合金表面上分別制備了Al、Ti、Zr和Hf 4種金屬涂層，比較了相同厚度（5 μm）的不同金屬涂層的抗腐蝕性能。結(jié)果表明Hf涂層與基體的電位差最小，并且Hf涂層的腐蝕電流密度最低；此外在鹽霧試驗后，結(jié)合掃描電鏡發(fā)現(xiàn)Hf涂層表面僅有少量的腐蝕小坑，而其他金屬涂層完全失去了保護(hù)作用。因此，在工藝參數(shù)相同的情況下，Hf涂層相比于Al、Ti以及Zr涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕性。另外，沈鈺等[27]將鋁膜在模擬體液腐蝕3和10 h后，發(fā)現(xiàn)鋁膜在10 h以內(nèi)可以保護(hù)鎂合金基體不受模擬體液腐蝕，體現(xiàn)了鋁膜具有良好的耐腐蝕性。磁控濺射鍍金屬膜在新型薄膜材料的選擇和制備工藝方面還需進(jìn)一步的探究，對鎂合金表面鍍金屬膜的耐腐蝕性將有巨大的提升空間。

1.2   薄膜的耐磨性能

對于鎂合金應(yīng)用于戶外，耐磨損性能也顯得尤為重要。如果能提高鎂合金的耐磨性能，將大大擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍。因此，研究人員在鎂合金耐磨性能方面展開了大量工作。表3為鎂合金表面上不同金屬薄膜的耐磨損性能研究。其中Wu等[23]在鎂合金表面上制備了Al和Ni膜，比較了兩者的耐磨性能，發(fā)現(xiàn)Ni膜的硬度高于Al膜，在350 ℃+24 h高真空熱處理后，鋁膜與基體完全反應(yīng)，形成厚度約為5 μm的反應(yīng)層（Al12Mg17相）。而鎳膜在350 ℃+48 h處理后，沒有發(fā)現(xiàn)鎳膜與基底的反應(yīng)層。由于Al12Mg17為本質(zhì)脆性相，所以熱處理后導(dǎo)致臨界載荷值急劇下降。并且在滑動磨損試驗中，Ni膜的磨損率明顯小于Al膜，這就意味著Ni膜比Al膜具有更好的耐磨性。魏琦等[28]在鎂合金表面濺射鋁膜，發(fā)現(xiàn)濺射時間為1 h的鋁膜粒子比濺射時間為50 min的鋁膜粒子更加細(xì)小且分布均勻，并且平整度也要優(yōu)于濺射50 min的鋁膜，更加有利于鋁膜與基體的結(jié)合。李忠厚等[24]在鎂合金表面上制備了單層鈦膜，使其耐磨性大大提高。王振林等[29]通過磁控濺射在鎂合金表面上制備了鋁膜，發(fā)現(xiàn)鋁膜與基體之間存在過渡層，并且鋁膜的表面硬度、彈性模量隨深度的增加而遞減。綜上，在鎂合金表面磁控濺射金屬薄膜的耐磨研究中，Ti膜具有良好的耐磨性，Ni膜的耐磨性優(yōu)于Al膜。并且涂層的耐磨性受工藝參數(shù)、熱處理等因素的影響較大。所以，在制備薄膜時，應(yīng)綜合分析各項因素，從而制備出性能優(yōu)良的薄膜。

1.3   工藝參數(shù)的影響

磁控濺射的主要工藝參數(shù)有：濺射功率、濺射時間、濺射氣壓、溫度、偏壓等。工藝參數(shù)主要是影響薄膜的厚度、膜層結(jié)構(gòu)以及薄膜與基體的結(jié)合力等。增加一定的濺射時間可提高薄膜的厚度和結(jié)合力，薄膜的耐腐蝕性略有增強(qiáng)；但時間過長，會導(dǎo)致膜基結(jié)合力下降，從而影響其性能。提高偏壓有利于提高薄膜的致密度，但過高的偏壓會導(dǎo)致耐腐蝕性下降。適當(dāng)?shù)脑黾訙囟瓤商岣弑∧さ哪透g性，但過高的溫度會導(dǎo)致薄膜的厚度降低。因此，探索適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)對提高薄膜的質(zhì)量和性能尤為重要。

在耐腐蝕性方面，研究人員探究了不同工藝參數(shù)對其耐腐蝕性的影響。如圖1所示，Zhang等[25]采用了不同的濺射時間（120、150和300 min）在AZ31鎂合金表面上制備了鋁膜，研究了不同的濺射時間對耐腐蝕性的影響。結(jié)果表明當(dāng)濺射時間從120增加到150 min時，由于膜厚和臨界載荷的增加，腐蝕電位略有增加，但當(dāng)濺射時間增加到300 min后，膜厚和臨界載荷顯著增加，腐蝕電位比裸鎂合金大136 mV。同時，腐蝕電流密度也降低了兩個數(shù)量級。這可能是由于隨著濺射時間的不斷增加，鋁膜層增厚，在增厚的過程中，填補(bǔ)了鋁膜生長過程中的孔隙、裂紋等缺陷，更能有效地保護(hù)鎂合金基體。Wu等[26]研究了偏壓對涂層性能的影響，如圖2所示，利用不同偏壓（0、−50、−150和−250 V）在鎂合金表面上制備了鉻涂層，發(fā)現(xiàn)增加偏壓可使鉻涂層的表面結(jié)構(gòu)更加致密；在−150 V偏壓下鉻涂層的腐蝕電位最高，而在−250 V偏壓下鉻涂層的腐蝕電位最低。結(jié)合掃描電鏡來看，偏壓為−250 V時的鉻涂層比偏壓為0、50和−150 V時的鉻涂層更致密、更光滑，但其腐蝕電位較低。研究人員分析其原因可能是涂層與基體的結(jié)合力差，腐蝕坑膨脹率高所致。張巖[31]還研究了不同溫度（350、400和450 ℃）對鋁層的耐腐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)350和450 ℃時試樣的腐蝕電位均得到了提高，并且腐蝕電流密度也下降了一個數(shù)量級；但是在400 ℃時試樣的腐蝕電位降低了100 mV，腐蝕電流密度增加了0.115 mA/cm2。研究人員認(rèn)為造成這個原因的情況可能是在400 ℃的條件下，鋁層和過渡層的微觀結(jié)構(gòu)呈柱狀晶形式，在晶間發(fā)生腐蝕。

在耐磨性方面，研究人員探究了工藝參數(shù)與耐磨性能之間的聯(lián)系。如李麗等[30]利用磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面上沉積了鈦膜，探究了濺射時間與膜基結(jié)合力之間的關(guān)系，如圖3所示，當(dāng)濺射時間從1增加到6 min時，鈦膜與基體的結(jié)合能力逐漸增大。但是當(dāng)濺射時間增加到6 min后，其結(jié)合強(qiáng)度急劇下降。其原因可能是濺射時間太長，導(dǎo)致工作溫度過高，使粒子碰撞能力增強(qiáng)，轟擊試樣表面，最終導(dǎo)致膜層呈龜裂和不致密狀態(tài)，從而導(dǎo)致膜基結(jié)合能力下降。

Wu等[26]討論了偏壓對磁控濺射鉻膜的影響，如圖4所示，改變偏壓對涂層樣品的顯微硬度沒有明顯影響，但是相對于基體而言，AZ31的表面顯微硬度由于鉻鍍層的形成而大大提高。張津等[32]在鎂合金表面上制備了膜厚大約為10 μm的鋁膜，研究了不同襯底溫度（室溫、100 ℃和200 ℃）下鋁涂層的力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)隨著襯底溫度的升高，鋁膜的厚度以及臨界附著力均隨之下降；在襯底溫度為室溫+無加熱后處理的情況下，鋁膜的厚度最大，加熱后處理使鋁膜在生長過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，從而影響薄膜的厚度；室溫條件下，一次性沉積和分段方式沉積鋁膜的臨界附著力相當(dāng)，均比施加襯底溫度100 ℃、200 ℃和加熱后處理的鋁膜高，這表明了室溫濺射鋁膜的膜基結(jié)合力最好[32]。

2.   鎂合金表面磁控濺射金屬/陶瓷復(fù)合涂層

由于工業(yè)的快速發(fā)展，對機(jī)械零件也提出了更高的要求，對相應(yīng)材料的性能要求也越來越高，比如耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等[33]。由于陶瓷材料具有金屬材料難以比擬的耐腐蝕性和耐磨性，將金屬和陶瓷材料結(jié)合涂覆在鎂合金表面上，不但能夠提高鎂合金的耐腐蝕性和耐磨性，而且能解決陶瓷材料與鎂合金基體的匹配性問題，因此金屬/陶瓷復(fù)合涂層一直是研究的熱點。金屬/陶瓷復(fù)合涂層作為雙類型涂層結(jié)構(gòu)體系由金屬層和陶瓷層組成。金屬層作為過渡層在金屬/陶瓷復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)中充當(dāng)陶瓷層與鎂合金基體的連接介質(zhì)，其主要目的是增加陶瓷層與鎂合金基體的結(jié)合強(qiáng)度、降低涂層的孔隙率，以保證陶瓷涂層的功能，從而提高其性能。由于金屬/陶瓷復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)與性能易受金屬過渡層和制備工藝等其他因素的影響，因此研究人員對此進(jìn)行了相關(guān)研究。

2.1   金屬過渡層對復(fù)合涂層組織結(jié)構(gòu)的影響

金屬過渡層對金屬/陶瓷復(fù)合涂層的生長有著重要的影響，它決定了復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度、致密性和殘余應(yīng)力等。表4為利用磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面制備金屬/陶瓷復(fù)合涂層的及組織結(jié)構(gòu)。從表4中可以看出，復(fù)合涂層的制備還存在較多孔洞等明顯缺陷，尤其是金屬過渡層。黃佳木等[34]利用磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面上分別制備了Al/SiNx、Ti/SiNx、Zr/SiNx復(fù)合涂層，結(jié)果表明金屬過渡層（Al、Ti和Zr）表面存在較小的孔缺陷，在生長過程中，小孔缺陷不能被濺射出的離子完全填充，因而導(dǎo)致復(fù)合涂層的致密性降低。李海濤[35]采用非平衡反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面上制備了Ti/TiN/TiCxN1−x復(fù)合涂層，研究了不同厚度的過渡層Ti對復(fù)合涂層殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)陶瓷TiN層與金屬Ti層之間存在物理參數(shù)的不匹配，使得剛開始沉積的TiN層表面較為粗糙，隨著沉積的進(jìn)行，過渡層Ti的厚度增加，位錯應(yīng)力也就越大，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力變大。夏登福等[36]通過室溫磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面沉積了Ti/SiC/DLC復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)過渡層Ti與陶瓷層中的Si元素、基體中的Mg均發(fā)生明顯擴(kuò)散，過渡層與陶瓷層、基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。丁澤良等[37]用磁控濺射工藝在鎂合金表面上制備了TaO涂層和Mg/TaO復(fù)合涂層，結(jié)果表明過渡層Mg的引入使得Mg/TaO復(fù)合涂層的表面平整度優(yōu)于TaO涂層，同時也有利于陶瓷層TaO在其表面均勻成核，形成致密涂層。由以上可以看出，過渡層的引入可提高復(fù)合涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，降低過渡層缺陷有利于復(fù)合涂層質(zhì)量的改善及性能的提高。

2.2   金屬過渡層對復(fù)合涂層耐蝕耐磨性能的影響

金屬/陶瓷復(fù)合涂層的耐腐蝕性受金屬過渡層的影響較大。在金屬/陶瓷復(fù)合涂層的保護(hù)機(jī)制中，當(dāng)外層陶瓷失效后，涂層能否有效地保護(hù)基體取決于過渡層的材料性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)和過渡層與基體的結(jié)合強(qiáng)度等。因此，除了表面陶瓷涂層外，過渡金屬層也起著重要的作用。表5為利用磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面制備金屬/陶瓷復(fù)合涂層的耐腐蝕性。從表5中不難發(fā)現(xiàn)，涂覆金屬/陶瓷復(fù)合涂層的鎂合金試樣的耐腐蝕性相對于鎂合金基體而言得到了顯著的提升。吳國松等[40−41]比較了在同種沉積條件下AZ31鎂合金表面上Al2O3/Al和Al2O3/Ti 2種復(fù)合涂層的耐腐蝕性，發(fā)現(xiàn)Al2O3/Al膜的腐蝕電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Al2O3/Ti膜。其原因是腐蝕介質(zhì)可通過涂層缺陷與基體接觸，導(dǎo)致金屬過渡層與基體構(gòu)成腐蝕電池。由于過渡層Al表面能形成一層致密的氧化鋁，與陶瓷層Al2O3匹配較好，因而Al2O3/Al復(fù)合涂層不易被破壞。此外浸泡試驗結(jié)果表明浸泡2 h后的Al2O3/Ti膜試樣表面已經(jīng)遭受多處腐蝕，蝕坑較深，而沉積Al2O3/Al膜的試樣表面受腐蝕程度要小于Al2O3/Ti膜試樣。因此，Al2O3/Al涂層的耐腐蝕性優(yōu)于Al2O3/Ti涂層。同時，該學(xué)者在模擬生理環(huán)境下研究了中間層（Ti、Al）對復(fù)合涂層耐腐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)Ti中間層加速了鎂合金的腐蝕速率，鋁中間層的加入使AlOxNy涂層的表面力學(xué)性能得到了較小的提高，但可以有效地阻止腐蝕。結(jié)果表明鋁中間層優(yōu)于鈦中間層[38]。

金屬/陶瓷復(fù)合涂層中的金屬過渡層除了充當(dāng)良好的結(jié)合介質(zhì)外，還應(yīng)具備一定的承載作用，這樣可進(jìn)一步提高復(fù)合涂層的整體耐磨性能。表6列舉了關(guān)于鎂合金表面磁控濺射金屬/陶瓷復(fù)合涂層的耐磨損性能。許曉靜等[46]利用室溫磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面上制備了Ti/SiC/CNx復(fù)合涂層，表明金屬過渡層Ti對復(fù)合涂層的高抗磨性能起了一定的作用。這是因為金屬鈦層使得涂層與基材之間存在良好的界面結(jié)合，并且能夠?qū)μ沾蓪犹峁└玫闹危员苊饣w過軟而發(fā)生破裂。丁澤良等[37]用磁控濺射工藝在鎂合金表面上制備了Mg/TaO復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)過渡層Mg的引入使涂基系統(tǒng)的材料性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)均呈梯度變化，有效地降低了陶瓷層TaO與鎂合金基體的界面應(yīng)力，提高了涂基系統(tǒng)的結(jié)合力。黃佳木等[34]在鎂合金表面上沉積了SiNx陶瓷涂層和Zr(Al,Ti)–SiNx復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層與鎂合金的附著力優(yōu)于SiNx陶瓷涂層，表明金屬過渡層能夠增加復(fù)合涂層與基體的附著力。并且Al/SiNx復(fù)合涂層的附著力為2級，Ti/SiNx復(fù)合涂層的附著力為1級，說明金屬Ti過渡層對于提高膜基結(jié)合力的強(qiáng)度要優(yōu)于Al。Wu等[40]比較了同種沉積條件下AZ31鎂合金表面上Al2O3/Al和Al2O3/Ti 2種復(fù)合薄膜，發(fā)現(xiàn)與Al2O3/Al薄膜相比，Al2O3/Ti薄膜提高了基體的硬度，這主要是由于鈦層間結(jié)合良好，顯微硬度較高。同時該學(xué)者[41]也在AZ31鎂合金表面上分別制備了AlOxNy/Ti、AlOxNy/Al薄膜，結(jié)果表明AlOxNy/Al的表面硬度和彈性模量小于AlOxNy/Ti，表明在耐磨性能方面，鈦作為中間層要優(yōu)于鋁中間層。

綜上所述，金屬過渡層能夠有效地克服復(fù)合涂層與鎂合金基體的不匹配性問題；能夠兼具膜層成分，減少涂層缺陷，增加膜基間的結(jié)合強(qiáng)度，從而可大幅度提高復(fù)合涂層的耐蝕耐磨性能。金屬/陶瓷復(fù)合涂層中，金屬作為過渡層，在耐腐蝕性方面，鋁過渡層優(yōu)于鈦過渡層；在耐磨性方面，鈦過渡層優(yōu)于鋁過渡層。

2.3   工藝參數(shù)及其他因素對復(fù)合涂層的影響

工藝參數(shù)對金屬/陶瓷復(fù)合涂層耐腐蝕性方面的報道甚少。張德秋等[47]利用磁控濺射分別在不同Ar/N2流量比（11:2～11:5）下于鎂合金基底上制備Ti/TiN復(fù)合涂層，結(jié)果表明隨著Ar/N2流量比值的增大，鎂合金試樣的腐蝕電位得到了提高。其中試樣的Ar/N2流量比為11:2時，腐蝕電位提高的程度最為明顯，表現(xiàn)出最佳的耐腐蝕性。Dai等[48]通過改變Ar/CH4的流量比，分析了不同Cr原子分?jǐn)?shù)（2.34%～31.5%）對Cr/DLC復(fù)合涂層耐腐蝕性的影響。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明不同Ar/CH4流量比下的Cr/DLC膜的AZ31均表現(xiàn)出比裸AZ31更高的腐蝕電流密度，這表明Cr/DLC膜不能提高鎂合金的耐腐蝕性。分析其原因是由于鎂合金薄膜的厚度缺陷中形成了電偶電池。

在耐磨性方面，李海濤[35]探究了不同基體偏壓對力學(xué)性能方面的影響。如圖5所示，隨著偏壓的增加，膜基結(jié)合力和薄膜厚度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)偏壓為45 V時，此時薄膜的結(jié)合力和厚度最大，這主要是由于隨著偏壓的增加，沉積粒子的能量增加，從而使粒子具有較高的沉積速率和較強(qiáng)的吸附力。但是負(fù)偏壓超過45 V時，結(jié)合力和厚度均出現(xiàn)下降的趨勢，這是因為粒子能量過高，形成反濺射，導(dǎo)致薄膜厚度減??；同時高能量的粒子也會造成基體溫度上升，使得薄膜與基體之間的熱應(yīng)力增大，從而使得結(jié)合力減小。與此同時，該學(xué)者還研究了不同濺射電流（0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 A）對薄膜性能方面的影響，發(fā)現(xiàn)隨著電流的增大，薄膜厚度增大，而結(jié)合力是增大后減小。另外，氣體流量比對涂層性能也是一個很重要的參數(shù)，張德秋等[47]通過改變Ar/N2流量比研究了Ti/TiN復(fù)合薄膜對耐磨性的影響。如圖6所示，不同Ar/N2流量比的涂層樣品相對于鎂合金基體都有效地降低了摩擦功，提高了鎂合金的耐磨性。其中Ar/N2流量比為11:2時，摩擦系數(shù)最低，并且薄膜與基體結(jié)合程度最好，其耐磨性最佳。綜上所述，適當(dāng)?shù)臍怏w流量比有助于提高金屬/陶瓷復(fù)合涂層的耐蝕耐磨性能。過高的偏壓和濺射電流不利于復(fù)合涂層與基體的結(jié)合。

金屬/陶瓷復(fù)合涂層的耐腐蝕性除了與工藝參數(shù)有關(guān)，還與其他因素有關(guān)，比如膜層層數(shù)、退火處理等因素。李海濤[35]等討論了不同退火溫度對AZ31鎂合金磁控濺射Ti/TiN/TiCxN1−x復(fù)合涂層的耐腐蝕性。如圖7所示，隨著退火溫度的升高，薄膜向著電位電勢增大和電流密度減小的方向移動。相對于基體而言，退火處理的薄膜的耐腐蝕性均有所提高，其中300 ℃退火的薄膜的耐腐蝕性最佳。Zhang等[42]采用磁控濺射法在AZ91鎂合金表面上沉積了不同交替層數(shù)（n＝1、2、10、20）的Hf/Si3N4復(fù)合涂層。如圖8所示，不同交替層數(shù)的Hf/Si3N4涂層相對于鎂合金基體而言，其耐腐蝕性均得到了顯著的提升。隨著交替層數(shù)的增加，Hf/Si3N4涂層逐漸向低腐蝕電流密度方向移動。但是當(dāng)層數(shù)n＝20時，腐蝕電流密度進(jìn)行了反彈，其原因主要是由于Hf子層的細(xì)化導(dǎo)致晶界的顯著負(fù)面影響，從而導(dǎo)致孔隙率略有增加。

3.   結(jié)束語

在利用磁控濺射技術(shù)制備金屬和金屬/陶瓷薄膜的研究中，雖然不同的實驗設(shè)備和實驗條件對實驗結(jié)果存在一定的影響，但實驗參數(shù)對薄膜的影響規(guī)律大體一致。濺射時間越長薄膜越厚，但濺射時間過長會導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度下降，可通過改變合適的偏壓來提高薄膜與基體結(jié)合力，但過高的偏壓會致使薄膜的耐腐蝕性下降。適當(dāng)?shù)脑黾訙囟瓤商岣弑∧さ哪透g性，但過高的溫度會導(dǎo)致薄膜的厚度降低。適當(dāng)?shù)臍怏w流量比有助于提高金屬/陶瓷復(fù)合涂層的耐蝕耐磨性能。金屬/陶瓷復(fù)合涂層中過渡層Al層在耐腐蝕性方面要優(yōu)于Ti層，過渡層Ti層在耐磨性方面要優(yōu)于Al層。目前，磁控濺射金屬/陶瓷復(fù)合薄膜與鎂合金基體在結(jié)合和性能穩(wěn)定方面仍有不足。因此，未來對鎂合金表面磁控濺射金屬/陶瓷復(fù)合薄膜的研究還需集中在以下3個方面：

（1）國內(nèi)外對于鎂合金表面磁控濺射金屬/陶瓷復(fù)合薄膜的研究主要集中在單一工藝參數(shù)和薄膜材料選擇上，對于工藝參數(shù)優(yōu)化和金屬過渡層與陶瓷的界面相互作用機(jī)制還比較欠缺。因此，對于制備工藝方面，應(yīng)合理優(yōu)化工藝參數(shù)，得出工藝參數(shù)的最佳配合；深入研究金屬層與陶瓷層其相互作用的沉積機(jī)理，建立有效的沉積模型，從而制備出性能更加穩(wěn)定優(yōu)良的金屬/陶瓷復(fù)合薄膜。

（2）由于腐蝕過程非常復(fù)雜，因此未來可通過BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對薄膜的耐腐蝕性能進(jìn)行預(yù)測，通過建立腐蝕環(huán)境介質(zhì)、薄膜的組織結(jié)構(gòu)與其耐腐蝕性之間的關(guān)系，來評價不同類型薄膜在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕程度和腐蝕速率，評估薄膜的長期保護(hù)性。

（3）由于磁控濺射制備的薄膜會不可避免的存在孔隙等缺陷，會直接影響薄膜的耐腐蝕性能。為此，可通過摻雜的方式來提高薄膜的致密度，從而增強(qiáng)其薄膜的耐腐蝕性能。

文章來源——金屬世界