1西安工程大学环境与化学工程学院 陕西西安 710048；
2、陕西省现代建筑设计研究院 陕西西安 710048
摘要：硬质TiC、TiN、Ti(CN)薄膜因具有相似的性质，故合称为TiN类薄膜。TiN类薄膜因具有高强度、高硬度、化学稳定性好、耐磨及防腐蚀等一系列优点，其涂层被广泛作用于机械工业中的刀具、模具等表面，成为具有巨大应用前景的涂层材料。TiN类陶瓷膜由于其独特的性能而成为当前材料表面研究热点之一。文章简要介绍了利用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、双辉技术及其它表面处理技术制备TiN类膜的研究进展，讨论了各种制备方法的工艺特点。
关键词：表面技术；TiN类膜；制备工艺
当前TiN类陶瓷膜制备主要工艺方法之一是气相沉积法，根据各种气相沉积过程的不同特点又可分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。气相沉积法的主要特点在于不管原来需镀物料是固体、液体或气体，在输运时都要转化成气相形态进行迁移，最终到达工件表面沉积凝聚成固相薄膜。气相沉积法是一种干式真空镀膜法，具有膜不受污染，纯度高，膜材与基材选择广泛等特点。另还可用于制备Ti(CN)陶瓷膜的方法有自蔓延燃烧合成法、固体粉末渗覆法、激光熔覆法、电泳沉积法等。
一、化学气相沉积法
化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，简称CVD)是现代表面工程技术中的一个重要领域，也是近几十年来发展迅速、应用广泛的表面成膜技术之一，用CVD法在钢材表面沉积TiN类陶瓷膜的应用大多集中在含碳量高的工膜具钢方面。它是利用气态物质在固体表面上进行化学反应，生成固态沉积物，即在一定温度条件下，混合气体与基材表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解并在基材表面形成金属或化合物的固态膜或薄膜镀层。从沉积化学反应能量激活看，化学气相沉积技术可分为多种，其中可常用于制备TiN类陶瓷膜的有:中温CVD、高温CVD、等离子体增强CVD、激光辅助CVD。采用化学气相沉积所得TiN类陶瓷膜存在与基体结合不佳的问题，因而还需进行后续热处理。而且使用气相沉积法制备TiN类陶瓷膜时还有沉积速率低、薄膜不厚、有二次产物污染等缺点存在。
二、物理气相沉积法
物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，简称PVD)是指源物质只经历存在形态的转变，而没有发生化学变化即在基体表面沉积生成薄膜或涂层的方法。按照沉积时物理机制的差别，物理气相沉积主要分为真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、脉冲激光沉积等基本类型。物理气相沉积技术最初和最成功的发展是在半导体工业、航天航空等特殊领域，后于20世纪80年代初在机械工业中作为一种新型的表面强化技术集中应用切削工具，模具的表面强化。和化学气相沉积相比，物理气相沉积适用范围广泛，几乎所有材料的薄膜都可以用物理气相沉积来制备。但是薄膜厚度的均匀性是物理气相沉积中的一个问题，如在多弧离子镀中由于绕射性不好使得面向与背向弧源靶的位置所镀覆的薄膜的厚度不同，用电子束物理气相沉积法得到的涂层存在热应力大、表面易产生凸包等问题。另外物理气相沉积TiN类陶瓷膜还存在工艺复杂、昂贵的设备造价、高的成本等问题，还难以形成广泛的工业应用。
三、自蔓延燃烧合成法
自蔓延燃烧合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis，简称SHS)是由前苏联学者Merzhanov于1967年提出的，是在无需外加热源的条件下利用高放热化学反应放出的热量使合成反应在引发后自延续，即将所需的反应物粉末均匀混合以后进行点燃引发化学反应，生成所需化合物。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆C.L.Yeh等即将钛粉、石墨粉以适量的比例混合作为反应原料，在氮气气氛中用自蔓延燃烧法在不锈钢表面直接合成了TiC0.3N0.7、TiC0.5N0.5、TiC0.7N0.3三种固溶体。自蔓延燃烧合成法具有成分可控、节能、高效的优点，但该方法存在燃烧过程难以控制的缺点，一经点火反应会在数秒或数分钟内完成，以至于涂层的显微结构和性能均难以得到控制。
四、固体粉末渗覆法
固体粉末渗覆法是将工件置于化学活性渗剂中，加入促渗剂，采用化学热处理的原理对工件加热，并保温一定时间。渗剂所分解出来的活性原子被灼热的钢件表面吸收即可以在试样表面得到所需化合物渗覆层。牟克等用该方法在20钢、45钢及W18Cr4V钢表面获得0.3～2.2μm的TiN-TiC渗覆层。该工艺方法所使用的设备简易，但加工时间长，生成的渗覆层薄，而且工件表面粗糙、有大量杂质。
五、激光熔覆法
激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置涂层材料，经激光辐照使之和基体表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。该项技术主要特点是成分可控、涂层均匀致密、熔覆区精确可控，但也存在设备昂贵、成本造价高、不适合做大面积处理、不利于产业推广等不足之处。
六、电泳沉积法
电泳沉积(EPD)是印度科学家G.M.Bose于1740年时发现的，是指依靠直流电场的作用，粉体颗粒从悬浮液中沉积在具有相反电荷和具有一定形状电极上的现象。它包括两个步骤:电泳和沉积，电泳是指胶体中的带电粒子在电场中的定向移动，沉积则是指颗粒聚集成膜或者块体。近年来该方法被广泛应用于制备各种功能性金属/陶瓷复合材料。电泳法制备薄膜具有沉积速度快、沉积层厚度、组成和结构可控、设备和工艺过程简单、成本低等优点。但用于制备涂层的悬浮液会对环境造成污染，并且EPD制备涂层还需要一个后续的热处理以使沉积层进一步致密化，为得到理想的结合强度，一般需要较高的烧结温度(>1000℃)，这会导致基体金属性能的恶化。
七、双辉渗镀法
双层辉光等离子渗金属技术(简称双辉技术)是近年来发明的一项获得美国等多国专利的表面冶金强化技术。该技术主要是利用双层辉光放电所形成的氩离子，轰击源极材料，使合金元素溅射至工件表面，经沉积和扩散形成具有特殊物理化学性能的合金层。目前已成功使用该技术在Q235钢表面渗镀TiN膜和20钢表面渗镀TiC和Ti(CN)薄膜。双辉技术打破了传统金属表面离子渗技术仅限于渗入非金属元素和低熔点金属的限制，使高熔点金属元素也可被渗到金属表面形成合金层。双辉技术还具有节约能源和资源、无污染、成分可控、渗层与基体结合强度高等一系列优点，是一种先进表面处理方法。使用双辉技术渗镀薄膜要求将基体加工到高温(1000℃左右)才能获得较高的扩散速度，易使基体产生晶粒粗大、变形等问题。
综上所述，虽然制备TiN类膜工艺方法种类繁多，但还没有一种完全经济、环保、质优的制备方法，这还有待于科研人员进一步开发研究。
参考文献
[1].徐晋勇，张健全，高清.现代先进表面技术的发展及应用[J].电子工艺技术，2006，27(5):129～134
[2].李国英.材料及其制品表面加工新技术[M].长沙:中南大学出版社，2003:1～10
[3].武咏琴，李刘合，张彦华.TiN膜的制备和进展[J].材料与表面处理，2004，12:50～52
[4].李明升，王福会，孙超.电弧离子镀Ti(CxN1-x)薄膜的结构和力学性能研究[J].材料保护，2002，35(12):10～12
[5].金犁，潘应君.离子氮化与物理气相沉积TiN复合处理研究[J].工具技术，2007，41(5):24～28
作者简介：1李波，1981，男，汉族，硕士，单位：西安工程大学环境与化学工程学院；2裴盼盼，女，汉族，硕士研究生，陕西省现代建筑设计研究；2张潇予，女，汉族，硕士，陕西省现代建筑设计研究院
论文作者:李波1,裴盼盼2,张潇予2
论文发表刊物:《基层建设》2016年23期
论文发表时间:2016/12/6
标签：气相论文; 表面论文; 基体论文; 薄膜论文; 技术论文; 涂层论文; 物理论文; 《基层建设》2016年23期论文;