21世紀(jì)人類(lèi)所面臨的問(wèn)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?jī)H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(diǎn)[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(gè)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(chǎng)合使用。鎂合金的耐腐蝕性和耐磨性差這一問(wèn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)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(yáng)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(diǎn)，如化學(xué)轉(zhuǎn)化處理是將鎂合金與處理液通過(guò)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(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染性較大，不符合綠色環(huán)保要求；陽(yáng)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(diǎn)，是其他傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)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(guó)內(nèi)外通過(guò)磁控濺射技術(shù)在鎂合金表面的改性研究還多針對(duì)于不同的薄膜結(jié)構(gòu)和材料展開(kāi)。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(guò)渡層，從而形成復(fù)合涂層，過(guò)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(jiǎn)要地分析了不同類(lèi)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(lái)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(dòng)能被濺射出來(lái)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(guò)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(guò)磁控濺射技術(shù)對(duì)AZ31、AZ91等鎂合金表面金屬防護(hù)膜層的制備展開(kāi)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(duì)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(duì)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(huì)使腐蝕介質(zhì)穿過(guò)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(wú)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(guò)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(yàn)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(duì)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(duì)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(kāi)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(méi)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(dòng)磨損試驗(yàn)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(shí)間為1 h的鋁膜粒子比濺射時(shí)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(guò)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(guò)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(shí)，應(yīng)綜合分析各項(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)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(guò)高的偏壓會(huì)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(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致薄膜的厚度降低。因此，探索適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)間對(duì)耐腐蝕性的影響。結(jié)果表明當(dāng)濺射時(shí)間從120增加到150 min時(shí)，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(shí)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(shí)，腐蝕電流密度也降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這可能是由于隨著濺射時(shí)間的不斷增加，鋁膜層增厚，在增厚的過(guò)程中，填補(bǔ)了鋁膜生長(zhǎng)過(guò)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(duì)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(lái)看，偏壓為−250 V時(shí)的鉻涂層比偏壓為0、50和−150 V時(shí)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(duì)鋁層的耐腐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)350和450 ℃時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)；但是在400 ℃時(shí)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(gè)原因的情況可能是在400 ℃的條件下，鋁層和過(guò)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(shí)間與膜基結(jié)合力之間的關(guān)系，如圖3所示，當(dāng)濺射時(shí)間從1增加到6 min時(shí)，鈦膜與基體的結(jié)合能力逐漸增大。但是當(dāng)濺射時(shí)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(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致工作溫度過(guò)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(duì)磁控濺射鉻膜的影響，如圖4所示，改變偏壓對(duì)涂層樣品的顯微硬度沒(méi)有明顯影響，但是相對(duì)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(wú)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(zhǎng)過(guò)程中發(fā)生動(dòng)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(duì)機(jī)械零件也提出了更高的要求，對(duì)相應(yīng)材料的性能要求也越來(lái)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(wèn)題，因此金屬/陶瓷復(fù)合涂層一直是研究的熱點(diǎn)。金屬/陶瓷復(fù)合涂層作為雙類(lèi)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(guò)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(guò)渡層和制備工藝等其他因素的影響，因此研究人員對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。

2.1 金屬過(guò)渡層對(duì)復(fù)合涂層組織結(jié)構(gòu)的影響

金屬過(guò)渡層對(duì)金屬/陶瓷復(fù)合涂層的生長(zhǎng)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(guò)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(guò)渡層（Al、Ti和Zr）表面存在較小的孔缺陷，在生長(zhǎng)過(guò)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(guò)渡層Ti對(duì)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(kāi)始沉積的TiN層表面較為粗糙，隨著沉積的進(jìn)行，過(guò)渡層Ti的厚度增加，位錯(cuò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(guò)渡層對(duì)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(guò)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(guò)渡層的材料性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)和過(guò)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(guò)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(duì)于鎂合金基體而言得到了顯著的提升。吳國(guó)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(guò)涂層缺陷與基體接觸，導(dǎo)致金屬過(guò)渡層與基體構(gòu)成腐蝕電池。由于過(guò)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(yàn)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(shí)，該學(xué)者在模擬生理環(huán)境下研究了中間層（Ti、Al）對(duì)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(guò)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(guò)渡層Ti對(duì)復(fù)合涂層的高抗磨性能起了一定的作用。這是因?yàn)榻饘兮亴邮沟猛繉优c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(guò)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(guò)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(guò)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(jí)，Ti/SiNx復(fù)合涂層的附著力為1級(jí)，說(shuō)明金屬Ti過(guò)渡層對(duì)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(shí)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?zhàn)鳛橹虚g層要優(yōu)于鋁中間層。

綜上所述，金屬過(guò)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(wèn)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(guò)渡層，在耐腐蝕性方面，鋁過(guò)渡層優(yōu)于鈦過(guò)渡層；在耐磨性方面，鈦過(guò)渡層優(yōu)于鋁過(guò)渡層。

2.3 工藝參數(shù)及其他因素對(duì)復(fù)合涂層的影響

工藝參數(shù)對(duì)金屬/陶瓷復(fù)合涂層耐腐蝕性方面的報(bào)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(shí)，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(guò)改變Ar/CH4的流量比，分析了不同Cr原子分?jǐn)?shù)（2.34%～31.5%）對(duì)Cr/DLC復(fù)合涂層耐腐蝕性的影響。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shì)。當(dāng)偏壓為45 V時(shí)，此時(shí)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(guò)45 V時(shí)，結(jié)合力和厚度均出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)榱Ｗ幽芰窟^(guò)高，形成反濺射，導(dǎo)致薄膜厚度減?。煌瑫r(shí)高能量的粒子也會(huì)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(shí)，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(duì)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(duì)涂層性能也是一個(gè)很重要的參數(shù)，張德秋等[47]通過(guò)改變Ar/N2流量比研究了Ti/TiN復(fù)合薄膜對(duì)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(duì)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(shí)，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(guò)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(duì)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(shì)增大和電流密度減小的方向移動(dòng)。相對(duì)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(duì)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(dòng)。但是當(dāng)層數(shù)n＝20時(shí)，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(yǔ)

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(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的影響，但實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜的影響規(guī)律大體一致。濺射時(shí)間越長(zhǎng)薄膜越厚，但濺射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度下降，可通過(guò)改變合適的偏壓來(lái)提高薄膜與基體結(jié)合力，但過(guò)高的偏壓會(huì)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(guò)高的溫度會(huì)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(guò)渡層Al層在耐腐蝕性方面要優(yōu)于Ti層，過(guò)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(lái)對(duì)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(gè)方面：

（1）國(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)于工藝參數(shù)優(yōu)化和金屬過(guò)渡層與陶瓷的界面相互作用機(jī)制還比較欠缺。因此，對(duì)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(guò)程非常復(fù)雜，因此未來(lái)可通過(guò)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)薄膜的耐腐蝕性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)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(lái)評(píng)價(jià)不同類(lèi)型薄膜在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕程度和腐蝕速率，評(píng)估薄膜的長(zhǎng)期保護(hù)性。

（3）由于磁控濺射制備的薄膜會(huì)不可避免的存在孔隙等缺陷，會(huì)直接影響薄膜的耐腐蝕性能。為此，可通過(guò)摻雜的方式來(lái)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(lái)源——金屬世界