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本文采用SP-0707型中频反应磁控溅射镀膜设备在铝合金表面沉积ZrN、TiN、TiCN彩色纳米薄膜,克服传统的阳极氧化、电镀、微弧氧化、激光处理等铝合金表面处理技术缺点,解决铝合金在装饰性和功能性方面的问题,扩大应用范围,延长使用寿命。本文采用的中频反应磁控溅射设备最高真空度优于8.0×10-4Pa,炉内真空室尺寸为Φ700×700mm,靶基距120mm,氩气70sccm,采用平面孪生靶,溅射工艺参数氮气流量、溅射时间、靶功率、基片偏压、占空比可调。整个溅射镀膜过程在真空炉内进行,具有无污染、溅射效率高,运行稳定等优点。本文采用正交试验设计实验方案,使用CM2600d分光测色仪、PCQC光学分析软件、德国Zeiss Ultra55场发射扫描电镜、美国EDAX公司GENESIS型X射线能谱仪、日本理学仪器X射线衍射分析仪、6JA干涉显微镜、YWX/Q-250型盐雾腐蚀试验箱、JGW-360A润湿角测定仪、GB/T9286-1998膜基结合力测试方法等,研究工艺参数氮气流量、甲烷气体流量、溅射时间、靶功率、基片偏压、占空比对铝合金表面ZrN、TiN、TiCN彩色纳米薄膜的呈色机理、光学特性、成膜机理、长大方式、微观结构、晶粒大小、衍射峰强度、物相衍射角θ、晶面指数(hkl)、薄膜厚度、膜基结合力、耐蚀性、疏水疏油特性的影响规律。研究表明,影响ZrN薄膜颜色变化的主要参数为氮气流量,随着氮气流量的增加,ZrN薄膜色差AE*先减小后增大,反射率R先增大后减小,且ZrN薄膜的反射率R服从函数如下正态函数的分布：分布区间为(0,30),分布中心为μ=15,峰值为45.91%,ZrN薄膜的颜色由浅→浅黄→深黄→金黄→红黄。获得优化的铝合金表面溅射仿金色ZrN薄膜的工艺参数为氮气流量为15SCCM,占空比为80%,偏压为250V,靶功率为5KW,溅射时间为10min。此时,L*=82.6,a*=1.3,b*=29.5,色差AE*为0.84,反射率R为45.68；影响TiN薄膜颜色变化的主要参数为氮气流量和溅射偏压,随着氮气流量增加,TiN薄膜的色差△E*先减小后增大,反射率先增加后减小,颜色由浅黄→深黄→金黄→红黄。随着溅射偏压的增加,TiN薄膜的色差△E*逐渐减小,反射率R逐渐增加,颜色由浅黄→金黄→红黄。获得优化的铝合金表面溅射仿金色TiN薄膜的工艺方案A2D3B1E4C2、A2D1B4E2C5、 A2D2B5E3C1进行实验,获得的颜色色差△E*分别为1.38、1.09、1.29,工艺方案A2D1B4E2C5颜色色差最小,即氮气流量A为15sccm,基片偏压D为150V,溅射时间为20Min,占空比为50%,溅射靶功率为8kW；影响TiCN薄膜表面颜色变化的主要参数为氮气流量和甲烷气体流量,随着氮气流量的增加,TiCN薄膜的颜色由浅→枪黑→浅红→磨砂红。随着甲烷气体流量的增加,TiCN薄膜的颜色由浅红→深红→磨砂红→暗红。获得优化的铝合金表面溅射磨砂红色TiCN薄膜的工艺方案氮气流量为20sccm,甲烷气体流量10sccm,时间10min,靶功率5kW,偏压150V,占空比80%,此时获得的△E*=[(△L*)2+((△a*)2+(△b*)2]1/2值最小,为0.75。工艺参数影响ZrN、TiN、TiCN彩色纳米薄膜的呈色机理和光学特性,ZrN、TiN、 TiCN薄膜的色差△E*随反射率R的增加而减小,反射率R与δ=4π/λnhcosi成正比,即与薄膜厚度h成正比。薄膜厚度h的变化会产生薄膜颜色色度指标L*、a*、b*的变化,影响薄膜色差△E*的变化。ZrN、TIN、TiCN薄膜的光学特性与薄膜的择优取向、衍射峰强度、薄膜厚度等有关。当基片偏压为-250V,ZrN薄膜的(101)、(111)晶面衍射峰最强烈,具有择优取向,此时L*=82.5,a*=2.3,b*=29.6,薄膜厚度为223nm,薄膜结合力为0级,耐蚀性为9.3级,薄膜呈仿金色；当基片偏压为-150V时,TiN薄膜的(111)晶面衍射峰最强烈,具有择优取向,此时L*=82.1,a*=1.5,b*=30.2,薄膜厚度为254nm,薄膜结合力为0级,耐蚀性为9.3级,薄膜呈仿金色；当基片偏压为-100V时,TiCN薄膜的(111)晶面衍射峰最强烈,具有择优取向,此时L*=45.56,a*=19.50,b*=2.62,薄膜厚度为368nm,薄膜结合力为0级,耐蚀性为9.1级,薄膜呈磨砂红色。研究薄膜的成膜机理与长大方式,薄膜的成膜机理与长大方式与衬底温度Ts和材料熔点Tm有关,当Ts/Tm<0.3时,薄膜呈柱状结晶纤维组织,纤维内部缺陷密度很高,或者就是非晶态的结构,纤维间的结构明显疏松,存在着许多纳米尺寸的孔洞；当Ts/Tm=0.3-0.5温度区间,纤维柱状晶的直径随着沉积温度增高而增加,晶体内部缺陷密度降低,晶粒边界致密性较好,薄膜也具有比较高的强度。同时各晶粒的表面开始呈现出晶体学平面所特有的形貌；衬底温度继续升高(TS/Tm>0.5)时,薄膜内部发生再结晶,晶粒开始长大,薄膜内部呈现粗大的等轴晶体。薄膜内部微观结构与溅射偏压有关,当基片偏压不同时,薄膜具有不同晶面的择优取向,不同择优取向的晶面具有不同的性能。当溅射偏压为-250V时,具有(101)、(111)择优取向的ZrN薄膜结合力好、耐蚀性高、具有仿金色；溅射偏压为-150V时,具有(111)择优取向的TiN薄膜结合力好、耐蚀性高、具有仿金色；溅射偏压为-100V时,具有(111)择优取向的TiCN薄膜结合力好、耐蚀性高、具有磨砂红色。研究工艺参数对薄膜厚度、薄膜结合力、薄膜耐蚀性、薄膜疏水性能的影响规律。研究表明,工艺参数对ZrN、TiN、TiCN薄膜厚度的影响其主要因素为沉积时间,其次为溅射偏压；工艺参数对ZrN、TiN、TiCN薄膜结合力影响主要因素为溅射偏压、靶功率；影响ZrN、TiN、TiCN薄膜的耐蚀性的主要因素是溅射偏压和靶功率。研究发现,采用不同工艺参数可以获得具有不同润湿角的ZrN、TiN、TiCN薄膜,根据杨氏方程可知,固体表面的润湿角与固体表面自由能有关,自由能越低,润湿角越大,反之润湿角越小。ZrN薄膜采用工艺参数组合A4B5C4D5E3、A4B5C4D2E7、A5B5C4D2E7、 A6B5C4D2E7,膜层厚度为200-260nm,晶粒尺寸为70-90nm,结合力为0-1级,耐蚀性为9.1、9.0、9.1、9.3,为优级和最优级,润湿角θ>120°。TiN薄膜采用工艺参数组合A2B3C2D1E5、A2B3C2D1E5, TiN膜层厚度约为255nm,薄膜结合力均为0级,薄膜耐蚀性为9.1、9.3级,均为超优级,润湿角分别为123°、128°。TiCN薄膜采用工艺方案A3B4C5D4E2F7、A3B2C5D6E2F6,溅射后TiCN薄膜的厚度约为280nm,结合力均为0级，耐蚀性为9.1、9.3级超优级，润湿角分别为131o、123o，TiCN薄膜具有疏水特性。