TC4鈦合金表面磁控濺射TiAlN涂層的組織與性能

潘曉龍，劉嘯鋒，王少鵬

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

0 引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)異、中溫性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在航空工業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景［1－2］。但鈦合金的摩擦系數(shù)大，在某些特定用途中因耐磨性不足，容易在結(jié)構(gòu)配合部位產(chǎn)生磨損失效［3－4］。為擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用，延長(zhǎng)鈦合金構(gòu)件的使用壽命，必須對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性處理。

TiAlN膜層是在TiN膜層基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由于鋁的引入使該膜層具有比TiN更好的熱穩(wěn)定性能和抗高溫氧化性能，同時(shí)具有很高的硬度和耐磨損性能，是一種理想的適合高溫環(huán)境的超硬耐磨材料［5－7］。本研究采用TiAl合金靶材，通過(guò)磁控濺射方法在TC4鈦合金基材上沉積了TiAlN涂層，以提高TC4鈦合金的表面性能。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為2 mm厚的TC4鈦合金板，將其線(xiàn)切割成25 mm×20 mm×2 mm的片狀試樣。先對(duì)試樣進(jìn)行鏡面拋光，再用金屬清洗液清洗，丙酮超聲清洗，最后用酒精進(jìn)行脫水處理。濺射靶材為T(mén)i、Al原子比1∶1的TiAl合金靶。涂層沉積設(shè)備為自行研制的SP－0810AS型多功能真空離子鍍膜機(jī)。該真空離子鍍膜機(jī)配置有圓形電弧靶、射頻磁控靶，并具有同時(shí)蒸發(fā)多個(gè)靶材的功能，試樣架可實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)。TiAlN涂層的制備工藝為:將試樣裝入鍍膜機(jī)，待真空室抽至極限真空度，將真空室加熱至200℃，然后通入氬氣使分壓至1～3 Pa，加負(fù)偏壓－800～－1200 V，占空比為60%，進(jìn)行氬離子轟擊清洗約10 min;開(kāi)啟TiAl靶，電流0.2～0.4 A，氬氣分壓調(diào)至(1～3)×10－1Pa，沉積TiAl過(guò)渡層約10 min，制備一層約100 nm的TiAl過(guò)渡層以改善膜基附著力，然后調(diào)節(jié)氬氣分壓至(1～3)×10－1Pa，負(fù)偏壓調(diào)至－100～－300 V，通入氮?dú)夥謮褐?5～8)×10－2Pa，沉積時(shí)間約150 min。通過(guò)調(diào)節(jié)TiAl靶電流、氮分壓等改變磁控濺射的工藝參數(shù)，共進(jìn)行了3組工藝試驗(yàn)。

利用JSM－6460型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同工藝制備TiAlN涂層的表面形貌。利用Oxford X-sight能譜儀(EDS)分析不同工藝制備的TiAlN涂層的表面成分。利用X射線(xiàn)衍射儀(XRD)分析不同工藝制備的TiAlN涂層的相結(jié)構(gòu)。

圖1 3種工藝制備的TiAlN涂層表面SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs of TiAlN coating produced by three processes

利用BD－2型球盤(pán)磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同工藝制備的TiAlN涂層和TC4鈦合金基材進(jìn)行耐磨損性能測(cè)試。測(cè)試條件:摩擦配副為φ5 mm的剛玉球，壓力101.3 kPa，施加載荷5 N，轉(zhuǎn)速110 r/min，磨痕軌跡直徑20 mm。在室溫條件下，經(jīng)球盤(pán)磨損30 min后，分別測(cè)試TiAlN涂層及TC4鈦合金基材的磨損失重。

利用SY/Q－750型鹽霧腐蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)箱對(duì)不同工藝制備的TiAlN涂層和TC4鈦合金基材進(jìn)行了耐腐蝕性能測(cè)試，測(cè)試條件:試驗(yàn)溶液為中性5%NaCl水溶液，壓力101.3 kPa，溫度35℃，48 h鹽霧腐蝕后對(duì)TiAlN涂層和TC4鈦合金基材進(jìn)行耐腐蝕性能分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 TiAlN涂層的組織形貌

圖1為3種磁控濺射工藝在TC4鈦合金表面沉積的TiAlN涂層表面的SEM照片。從圖1可以看出，3種磁控濺射工藝沉積的涂層結(jié)構(gòu)致密，表面均相對(duì)平整，大顆粒較少，表面可觀察到溝槽。這是由于磁控濺射沉積的TiAlN涂層厚度較薄，沉積后完全復(fù)制了TC4鈦合金基材表面因砂紙打磨所形成的溝槽。

將3種磁控濺射工藝沉積的試樣在掃描電鏡下放大100倍，選取整個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行EDS能譜成分分析，其結(jié)果見(jiàn)表1。從分析結(jié)果可以看出，工藝1沉積的涂層中N、Al、Ti元素的原子分?jǐn)?shù)依次為45.45%、27.9%和27.46%。涂層中氮元素的原子分?jǐn)?shù)低于50%，而Al+Ti的原子分?jǐn)?shù)為54.55%，這說(shuō)明涂層中有部分Ti和Al可能未反應(yīng)生成TiAlN，而以TiAl合金或純Ti和純Al的形式存在，這將影響涂層的硬度，從而影響耐磨性。而工藝2和工藝3沉積的涂層中N的原子分?jǐn)?shù)接近50%，說(shuō)明這兩種工藝沉積的涂層氮化反應(yīng)較前者完全。工藝2沉積的涂層中N的原子分?jǐn)?shù)為48.42%，Al的原子分?jǐn)?shù)為22.82%，Ti的原子分?jǐn)?shù)為28.76%，高于Al的含量。工藝3沉積的涂層中N的原子分?jǐn)?shù)為48.75%，Al的原子分?jǐn)?shù)為25.86%，Ti的原子分?jǐn)?shù)為25.39%，即Ti與Al的原子比接近1∶1，且Ti+Al和N原子比接近 1∶1。

表1 3種工藝制備的TiAlN涂層成分(%)Table 1 EDS of TiAlN coating produced by three processes

2.2 TiAlN涂層物相分析

圖2為3種磁控濺射工藝沉積的TiAlN涂層的X射線(xiàn)衍射圖譜。可以看出，3種工藝沉積的TiAlN涂層的相結(jié)構(gòu)相差不大，衍射譜主要由Ti元素的衍射峰和TiAlN的衍射峰組成。圖中Ti衍射峰強(qiáng)度較高主要是由于沉積的TiAlN涂層較薄，僅3～5 μm，X射線(xiàn)較易透過(guò)涂層達(dá)到基體所致。

圖2 3種磁控濺射工藝沉積的TiAlN涂層X(jué)RD圖譜Fig.2 XRD patterns of TiAlN coating produced by three magnetron sputtering technics

2.3 TiAlN涂層耐磨損性能

圖3為3種磁控濺射工藝制備的TiAlN涂層試樣及TC4鈦合金試樣磨損失重的對(duì)比。從圖3可以看出，3個(gè)TiAlN涂層試樣的磨損失重比TC4鈦合金基材的磨損失重低約80%。其中，工藝3制備的TiAlN涂層試樣的耐磨損性能較工藝1和工藝2更好，這說(shuō)明工藝3反應(yīng)更為充分，涂層中幾乎全部由TiAlN陶瓷相組成，很少有 TiAl、Ti、Al等金屬相。

圖3 TiAlN涂層試樣及TC4鈦合金基材試樣磨損失重對(duì)比Fig.3 Weight loss after wear of TC4 substrate and TiAlN coating

2.4 TiAlN涂層耐腐蝕性能

圖4為3種磁控濺射工藝制備的TiAlN涂層試樣和TC4鈦合金基材試樣經(jīng)48 h鹽霧腐蝕后的失重柱狀圖。從圖4可以看出，TC4鈦合金基材試樣和3種工藝制備的TiAlN涂層試樣經(jīng)中性鹽霧腐蝕48 h后，其腐蝕失重均很小;整體來(lái)看，3種工藝制備的TiAlN涂層的耐腐蝕性能都很好，但工藝3制備的TiAlN涂層的耐鹽霧腐蝕性能較工藝1和工藝2表現(xiàn)得更好。這是由于工藝3反應(yīng)充分，涂層中幾乎全部由TiAlN陶瓷相組成，很少有TiAl、Ti、Al等金屬相。在鹽霧環(huán)境下，如果TiAlN陶瓷相與TiAl、Ti、Al等金屬相同時(shí)存在，則可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕，加速涂層腐蝕失重。

圖4 TC4鈦合金基材試樣及TiAlN涂層試樣鹽霧腐蝕48 h后的失重柱狀圖Fig.4 Weight loss after corrosion of TC4 substrate and TiAlN coating

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6461—2002《金屬基材上金屬和其他無(wú)機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件的評(píng)級(jí)》對(duì)腐蝕后的TiAlN涂層進(jìn)行評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果達(dá)到了保護(hù)級(jí)9級(jí)。

3 結(jié)論

(1)采用 TiAl合金靶通過(guò)磁控濺射制備的TiA1N涂層表面相對(duì)平整，結(jié)構(gòu)致密。

(2)TiAlN涂層有著較高的耐磨損性能，與TC4鈦合金基材相比，磨損失重低約80%，其抗鹽霧腐蝕性能達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T 6461—2002保護(hù)級(jí)9級(jí)。

(3)通過(guò)對(duì)比分析3種沉積工藝制備的TiAlN涂層的耐磨損性能和耐腐蝕性能發(fā)現(xiàn)，TiAlN涂層中Ti與Al的原子比接近在1∶1，且Ti+Al和N原子比接近1∶1時(shí)，其綜合性能最好。

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