循环氩离子轰击对磁控溅射铝膜结构和性能的影响_胡芳

目前提高 钕 铁 硼 永 磁 体 耐 腐 蚀 性 能 的 主 要 方法有添加 合 金 元 素 和 外 加 防 护 性 镀 层 。 ［２－３］ 磁 控溅射技 术 作 为 一 种 外 加 防 护 镀 层 的 干 法 镀 膜 技术，具有 沉 积 温 度 低、膜 层 成 分 均 匀 可 控 和 膜 基结合强度好等特 点，该 技 术 绿 色 环 保 可 替 代 传 统电镀技术用于 钕 铁 硼 表 面 防 护。 然 而，磁 控 溅 射 的 铝 膜 层 为 典 型 的 柱 状 晶 结 构 ［４－７］，柱 状 晶 边 界 倾向于产生缺陷点，提 供 腐 蚀 介 质 的 快 速 传 播 通 道从而导致薄膜 的 失 效。 因 此，一 些 科 研 工 作 者 采用磁控溅射技 术 在 ＮｄＦｅＢ 表 面 制 备 出 不 同 体 系的 铝 多 层 膜，如 Ａｌ／Ａｌ２Ｏ３［８－９］、Ｔｉ／Ａｌ［１０－１１］、Ｔｉ／ Ａｌ［１２－１３］等，通过 多 层 结 构 来 打 断 Ａｌ膜 柱 状 晶 生 长方 向，从 而 提 高 ＮｄＦｅＢ 永 磁 材 料 的 耐 腐 蚀 性 能。但是，Ａｌ２Ｏ３ 和 ＡｌＮ 具 有 良 好 的 绝 缘 性，镀 膜过程中 容 易 造 成 靶 “中 毒 ”，且 沉 积 速 率 较 慢， 分别为 ０．０４ｎｍ／ｓ和 ０．１７ｎｍ／ｓ；谢 婷 婷 等 ［１０－１１］ 人研究发现，采用磁 控 溅 射 技 术 在 钕 铁 硼 表 面 制 备的５个 周 期 的 Ｔｉ／Ａｌ多 层 膜 的 自 腐 蚀 电 流 密 度比纯铝膜小近两 个 数 量 级，但 是 该 膜 层 的 耐 中 性盐雾腐蚀性能却不如纯 Ａｌ膜。
因此，如 何 进 一 步 提 高 ＮｄＦｅＢ 永 磁 材 料 防 护涂层的 耐 腐 蚀 性 能 仍 是 研 究 的 热 点 问 题。 由
于高能离子轰击会 影 响 薄 膜 生 长 的 结 构，但 还 未 见到在钕 铁 硼 表 面 使 用 循 环 氩 离 子 轰 击 铝 膜 来 制备多层 Ａｌ膜的 报 道。 文 中 采 用 负 偏 压 来 控 制 氩轰击离子能量，通 过 控 制 循 环 氩 离 子 轰 击 铝 膜 的工艺来实现多层 铝 膜 的 制 备，并 对 比 研 究 了 循 环氩离子轰击对膜 层 形 貌、结 构 和 耐 盐 雾 腐 蚀 性 能的影响。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ＮｄＦｅＢ，Ａｌ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ａｂｏｕｔ
１４．０μｍ ｗｅｒｅ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｏｎ ＮｄＦｅＢ ｍａｇｎｅｔｓ ｂｙ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｒｅｅ－ｐｅｒｉｏｄ Ａｌ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｂｏｍｂａｒｄｉｎｇ Ａｌ ｆｉｌｍｓｕｒｆａｃｅ ｕｓｉｎｇ ａｒｇｏｎ ｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｌ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ＳＥＭ），ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ａｌ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｉｎ－ ｓｔｒｕｍｅｎｔ（ＸＲＤ），ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｌｔ ｓｐｒａｙ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｎｅｕｔｒａｌ ｓａｌｔ ｓｐｒａｙ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｃｙｃｌｉｃ ａｒｇｏｎ ｉｏｎ ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓａｌｔ ｓｐｒａｙ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｌ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒａｉｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｌ ｆｉｌｍｓ ａｆｔｅｒ ｃｙｃｌｅｓ ａｒｇｏｎ ｉｏｎ ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ａｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ａｎｄ ｆｉｎｅ．Ｔｈｅ ｃｏｌｕｍｎａｒ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｉｓ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ ｂｙ ａｒｇｏｎ ｉｏｎ ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｄｉｓｔｉｎｃｔ ｉｎ－ ｔｅｒｆａｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｉｌｍｓ，ａ （１１１）ｐｌａｎｅ ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｔｈｅ ｎｅｕｔｒａｌ ｓａｌｔ ｓｐｒａｙ （ＮＳＳ） ｔｅｓｔ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｒｅｅ－ｐｅｒｉｏｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ ｈａｖｅ ｍｕｃｈ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ｎｅｕｔｒａｌ ｓａｌｔ ｓｐｒａｙ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ｔｏ ３１２ｈ．Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｐｅｒ－ ｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｌ ｆｉｌｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｔｅｄ ａｒｇｏｎ ｉｏｎ ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ．
网 络 出 版 日 期 ：２０１４－１１－２６ １６∶１４；网 络 出 版 地 址 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．３９０５．ＴＧ．２０１４１１２６．１６５７．０２０．ｈｔｍｌ 引文格式：胡芳，代明江，林松盛，等．循环氩离子轰击对磁控溅射铝膜结构和性能的影响 ［Ｊ］．中国表面工程，２０１５，２８（１）：４９－５５．
ＨＵ Ｆａｎｇ，ＤＡＩ Ｍｉｎｇ－ｊｉａｎｇ，ＬＩＮ Ｓｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＨＯＵ Ｈｕｉ－ｊｕｎ，ＳＨＩ Ｑｉａｎ，ＺＨＡＯ Ｌｉ （１．Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎ－ ｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ），Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６５１；２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｇｉ－ ｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６５１）
关 键 词 ：钕 铁 硼 ；氩 离 子 轰 击 ；界 面 ；耐 腐 蚀 中 图 分 类 号 ：ＴＧ１７４．４４４ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００７－９２８９（２０１５）０１－００４９－０７
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ Ｃｙｃｌｅｓ Ａｒｇｏｎ Ｉｏｎ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｌ Ｆｉｌｍｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ
Ｈｕ Ｆ，Ｄａｉ Ｍ Ｊ，Ｌｉｎ Ｓ Ｓ，ｅｔ ａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｙｃｌｅｓ ａｒｇｏｎ ｉｏｎ ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｌ ｆｉｌｍｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，２８（１）：４９－５５．
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中 国 表 面 工 程
２０１ 体 是 由 主 相 Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ、富 硼 相 Ｎｄ１ ＋εＦｅ４Ｂ４ 和 富 钕 相 组 成 的 多 相 粉 末 合 金 材 料 ，富 钕 相 作 为 晶 界 相 包 围 着 主 相 ，而 富 硼 相 绝 大 多数也存在于晶界中。由于富钕晶界相电位低于 基体相 Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ 和 富 硼 相 Ｎｄ１ ＋εＦｅ４Ｂ４，致 使 材 料 在 较 高 温 度 和 湿 度 条 件 下 ，容 易 发 生 晶 间 腐 蚀 ，从 而 降 低 磁 体 的 磁 性 能［１］。 因 此 ，如 何 提 高 钕 铁 硼 的 耐腐蚀性能一直是钕铁硼行业关注的焦点。
（１．广东省工业技术研究院（广州有色金属研究院）新材料研 究 所，广 州 ５１０６５１；２．广 东 省 现 代 表 面 工 程 技 术 重 点 实 验室，广州 ５１０６５１）
摘 要：为了提高烧结钕铁硼永磁材料的耐腐蚀性能，采 用 磁 控 溅 射 技 术 在 钕 铁 硼 表 面 制 备 了 厚 度 约 为 １４．０μｍ 的
１ 试 验 与 方 法
１．１ 样 品 的 制 备 采用未充磁的 ＮｄＦｅＢ试样，其尺寸为Φ３０ｍｍ×
４ｍｍ，先采 用 玻 璃 珠 和 棕 刚 玉 的 混 合 砂 对 其 进 行喷 砂 预 处 理，再 分 别 将 喷 砂 处 理 后 的 ＮｄＦｅＢ 试样和 单 晶 Ｓｉ片 分 别 在 丙 酮 溶 液 中 超 声 清 洗 ２０ ｍｉｎ，烘 干 后 装 炉 。 镀 膜 设 备 为 Ｊ－１２５０ 型 柱 靶 直流脉冲 磁 控 溅 射 镀 膜 机。 首 先 采 用 氩 离 子 清 洗样品表面，炉压 ０．６Ｐａ，负 偏 压 ８００ Ｖ，清 洗 时 间３０ｍｉｎ。离子 清 洗 后 镀 Ａｌ膜，具 体 工 艺 参 数 见表１中工艺（１）。 所 制 备 的 多 层 铝 膜 为 ３ 个 周 期，Ａｌ膜沉积时间 ６ｈ，氩 离 子 轰 击 Ａｌ膜 的 总 时 间为１ｈ。为 了 研 究 循 环 氩 离 子 轰 击 对 Ａｌ膜 的 影响，制备了厚度相同 的 单 层 Ａｌ膜（未 使 用 氩 离 子轰击）的 试 样 作 为 对 比 样 品，具 体 工 艺 参 数 见 表 １ 中 工 艺 （２）。
铝膜，使用循环氩离子轰击铝膜的方法制备了３个周期的多层铝膜。利用扫描电 子 显 微 镜（ＳＥＭ）观 察 铝 膜 的 表 面 和 截 面形貌，Ｘ 射线衍射仪（ＸＲＤ）表征膜层的晶体结构，采用中性盐雾试验 测 试 膜 层 的 耐 盐 雾 腐 蚀 性 能 ，研 究 循 环 氩 离 子 轰 击对铝膜层形貌、结构及耐中性盐雾腐蚀性能的影响。结果 表 明：与 相 同 厚 度 的 单 层 铝 膜 相 比 ，３ 个 周 期 的 多 层 铝 膜 晶 粒均匀细小，膜层的柱状晶结构被打断，内部形成了两个明显的界面；膜层沿（１１１）晶面择优生长；与厚 度 相 同 的 单 层 Ａｌ 膜相比，３个周期的多层 Ａｌ膜的耐蚀性显著提高，其耐中性盐雾腐蚀时间可达到３１２ｈ。循环氩离子轰击铝膜的方 法 可 以改善铝镀层的质量和耐盐雾腐蚀性能。