D0I:10.13374/1.issm100103.2008.12.010 第30卷第12期 北京科技大学学报 Vol.30 No.12 2008年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2008 镁合金表面磁控溅射沉积铝膜的力学性能 张津1,2) 杨栋华)王东亚)欧信兵)王振林) 1)重庆工学院材料科学与工程学院，重庆4000502)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用直流磁控溅射法在镁合金上沉积铝膜，在高真空下对铝膜进行加热后处理·用X射线衍射仪(XRD)分析膜层为 纯铝多晶态，扫描电子显微镜(SEM)观察铝膜晶粒细小·采用纳米压痕/划痕仪对铝膜的厚度、临界附着力、硬度和弹性模量 进行了测试，并且用辉光放电光谱仪(GDS)测试了镁合金表面铝膜的成分和性能随薄膜深度的分布·结果表明，铝膜的厚度 随后处理温度的升高而降低，其表面硬度和弹性模量高于镁合金基体并且随深度增加而逐渐降低，铝膜与镁合金基体间存在 一个过渡层，结合良好且表现出一定的弹塑性能，有利于镁合金表面的防护. 关键词镁合金：磁控溅射：铝膜：力学性能：纳米划痕：纳米压痕 分类号TG146.2+2;TB43 Mechanical properties of aluminum films on magnesium alloys by magnetron sput- tering ZHA NG Jin),YANG Donghua).WANG Dongya).OU Xinbing),WA NG Zhenlin) 1)College of Materials Science Engineering.Chongqing Institute of Technology.Chongqing 400050.China 2)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACT A pure Al film was sputtered by DC magnetron on AZ31B magnesium alloy and heat-treated in a high vacuum.It was determined by the analyses of SEM and XRD that the Al film was ultra-fine polycrystalline.The thickness,critical adhesive force, hardness and elastic modulus of the Al film were measured by nano"indentation/scratch test:the composition profile and properties were tested by glow discharge spectrometry (GDS).The results show that the thickness of the Al film decreases with increasing heat treatment temperature.Compared with the magnesium alloy.the Al film has a higher surface hardness and elastic modulus which de- crease with increasing depth.A transition nano"scale layer forms between the Al film and substrate,which is of adherent trait and re- veals somewhat elastoplastic property.It is concluded that the magnesium alloy can be protected by the Al film. KEY WORDS magnesium alloys:magnetron sputtering:Al films:mechanical properties:nano-indentation:nano"scratch 镁合金作为最轻的金属结构材料之一，因具有 多，可以根据不同工件、不同要求选择不同方法，如 优异的加工性能、良好的生物相容性、较高的热传导 热喷涂铝涂层2]，物理气相沉积10)、化学气相沉 性和尺寸稳定性等而被应用于航空、航天、汽车、电 积山).铝涂层能在一定程度上提高镁合金的腐蚀 子和通讯等领域，因其电极电位低、易腐蚀而限制了 性能，但以往的侧重点均在其耐腐蚀性能的测试分 其广泛应用，此外，镁合金表面生成的氧化膜较为 析方面，其对铝涂层的力学性能的研究不多，只有少 疏松，不能形成有效稳定的保护膜，不具有铝合金或 数人研究过金属涂层对镁合金耐磨性能的影响， 钛合金优异的抗腐蚀性能)， Wu等2]采用射频溅射方法在镁合金表面沉积了 由于铝及铝合金具有优良的耐腐蚀性能，镁合 厚度在2m左右的纯Al膜和纯Ni膜，经350℃高 金表面铝涂层具有良好的耐腐蚀性，而且易回收，也 真空热处理2h后，纯A1膜消失，铝和基体镁在界面 受到不少研究者的关注，目前铝涂层的制备方法很 处形成反应层生成了新的第二相，该相的形成脆性 收稿日期：2008-01-22修回日期：2008-03-12 基金项目：教育部科学技术研究重点资助项目(N。.207095) 作者简介：张津(l963一)，女，教授，博士生导师，E-mail:zhangin@mater.ustb-edu-cn镁合金表面磁控溅射沉积铝膜的力学性能 张 津1‚2） 杨栋华1） 王东亚1） 欧信兵1） 王振林1） 1） 重庆工学院材料科学与工程学院‚重庆400050 2） 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 摘 要 采用直流磁控溅射法在镁合金上沉积铝膜‚在高真空下对铝膜进行加热后处理．用 X 射线衍射仪（XRD）分析膜层为 纯铝多晶态‚扫描电子显微镜（SEM）观察铝膜晶粒细小．采用纳米压痕／划痕仪对铝膜的厚度、临界附着力、硬度和弹性模量 进行了测试‚并且用辉光放电光谱仪（GDS）测试了镁合金表面铝膜的成分和性能随薄膜深度的分布．结果表明‚铝膜的厚度 随后处理温度的升高而降低‚其表面硬度和弹性模量高于镁合金基体并且随深度增加而逐渐降低．铝膜与镁合金基体间存在 一个过渡层‚结合良好且表现出一定的弹塑性能‚有利于镁合金表面的防护． 关键词 镁合金；磁控溅射；铝膜；力学性能；纳米划痕；纳米压痕 分类号 TG146∙2＋2；TB43 Mechanical properties of aluminum films on magnesium alloys by magnetron sput￾tering ZHA NG Jin 1‚2）‚Y A NG Donghua 1）‚W A NG Dongya 1）‚OU Xinbing 1）‚W A NG Zhenlin 1） 1） College of Materials Science ＆ Engineering‚Chongqing Institute of Technology‚Chongqing400050‚China 2） School of Materials Science and Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT A pure Al film was sputtered by DC magnetron on AZ31B magnesium alloy and heat-treated in a high vacuum．It was determined by the analyses of SEM and XRD that the Al film was ultra-fine polycrystalline．T he thickness‚critical adhesive force‚ hardness and elastic modulus of the Al film were measured by nano-indentation／scratch test；the composition profile and properties were tested by glow discharge spectrometry （GDS）．T he results show that the thickness of the Al film decreases with increasing heat treatment temperature．Compared with the magnesium alloy‚the Al film has a higher surface hardness and elastic modulus which de￾crease with increasing depth．A transition nano-scale layer forms between the Al film and substrate‚which is of adherent trait and re￾veals somewhat elastoplastic property．It is concluded that the magnesium alloy can be protected by the Al film． KEY WORDS magnesium alloys；magnetron sputtering；Al films；mechanical properties；nano-indentation；nano-scratch 收稿日期：2008-01-22 修回日期：2008-03-12 基金项目：教育部科学技术研究重点资助项目（No．207095） 作者简介：张 津（1963—）‚女‚教授‚博士生导师‚E-mail：zhangjin＠mater．ustb．edu．cn 镁合金作为最轻的金属结构材料之一‚因具有 优异的加工性能、良好的生物相容性、较高的热传导 性和尺寸稳定性等而被应用于航空、航天、汽车、电 子和通讯等领域‚因其电极电位低、易腐蚀而限制了 其广泛应用．此外‚镁合金表面生成的氧化膜较为 疏松‚不能形成有效稳定的保护膜‚不具有铝合金或 钛合金优异的抗腐蚀性能［1］． 由于铝及铝合金具有优良的耐腐蚀性能‚镁合 金表面铝涂层具有良好的耐腐蚀性‚而且易回收‚也 受到不少研究者的关注．目前铝涂层的制备方法很 多‚可以根据不同工件、不同要求选择不同方法‚如 热喷涂铝涂层［2—8］、物理气相沉积［9—10］、化学气相沉 积［11］．铝涂层能在一定程度上提高镁合金的腐蚀 性能‚但以往的侧重点均在其耐腐蚀性能的测试分 析方面‚其对铝涂层的力学性能的研究不多‚只有少 数人研究过金属涂层对镁合金耐磨性能的影响． Wu 等［12］采用射频溅射方法在镁合金表面沉积了 厚度在2μm 左右的纯 Al 膜和纯 Ni 膜‚经350℃高 真空热处理2h 后‚纯 Al 膜消失‚铝和基体镁在界面 处形成反应层生成了新的第二相‚该相的形成脆性 第30卷 第12期 2008年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．12 Dec．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．12．010