PVD表面處理對(duì)鈦合金基體疲勞性能影響的研究進(jìn)展

丁郁航，馬天洋，楊雪健，謝 夢(mèng)＊，王 迪

（1.西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710299；2.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

鈦合金因其優(yōu)良的綜合性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1，2]。然而鈦合金表面硬度低、摩擦磨損性能較差，尤其是當(dāng)鈦合金與其他材料發(fā)生接觸時(shí)，就極易造成微動(dòng)或粘著磨損，與硬質(zhì)材料碰撞后，易使鈦合金零件形貌或尺寸發(fā)生改變，并且產(chǎn)生接觸腐蝕，從而嚴(yán)重限制了鈦合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。

鈦合金表面改性對(duì)其疲勞性能的影響顯得尤為關(guān)鍵。因此本文綜述了PVD涂層對(duì)鈦合金基體疲勞性能的影響。因此，本文章從多層涂層抗裂紋擴(kuò)展、斷裂機(jī)理了解PVD涂層對(duì)鈦合金疲勞行為的影響。

1 多層涂層抗裂紋擴(kuò)展、斷裂機(jī)理

在軟/硬多層涂層結(jié)構(gòu)的研究中，其軟層擁有充分的延展性，如Cr/CrN多層涂層中的Cr，顯著改變了裂紋擴(kuò)展的條件。然而，只有在理解涂層結(jié)構(gòu)與機(jī)械加載過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象之間的關(guān)系以及涂層微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系后，才能更系統(tǒng)地設(shè)計(jì)并制備出所需性能的多層結(jié)構(gòu)涂層。

P.Wieciński等[4]做了許多針對(duì)多層涂層調(diào)制結(jié)構(gòu)方面的工作，其中研究了納米結(jié)構(gòu)Cr/CrN多層涂層在鈦合金基體上壓痕過(guò)程中的組織演變。利用PVD真空電弧法在Ti-6Al-4V合金表面沉積了五種多層（Cr/CrN）×8涂層。涂層具有相同的總厚度和構(gòu)成層數(shù)，但Cr和CrN構(gòu)成層的厚度比（QCr/CrN參數(shù)）不同。使用Berkovich壓頭在1N的載荷下進(jìn)行壓痕測(cè)量。研究表明，應(yīng)用的多層結(jié)構(gòu)涂層顯著提高了鈦合金的硬度，涂層的硬度取決于Cr和CrN構(gòu)成層的厚度比，在10至35GPa的范圍內(nèi)變化。

圖1 多層涂層壓痕區(qū)圖像（QCr/CrN=0.81;負(fù)載=1N）

為了深入探究裂紋擴(kuò)展的變形機(jī)理，觀察壓痕區(qū)域的圖像，如圖1為QCr/CrN=0.81的多層涂層在1 N壓頭載荷下的圖像。（圖1b）中可觀察到經(jīng)切割后的壓頭表面，尖端和邊緣下面的區(qū)域。基于這些觀察結(jié)果，可以得出結(jié)論：由壓頭引起的大部分塑性變形通過(guò)涂層轉(zhuǎn)移到基底材料上（圖1c）。盡管涂層經(jīng)歷了永久變形，但是在觀察到的壓痕區(qū)域中發(fā)現(xiàn)涂層與基底之間或者在Cr與CrN層之間沒(méi)有橫向裂紋和分層。這歸因于界面的影響以及韌性Cr層存在的作用，其更多的容納了塑性變形并且和硬脆性的CrN層之間結(jié)合牢固。然而在微觀結(jié)構(gòu)中觀察到徑向裂紋（圖1c），這些小裂縫并未穿透涂層的整個(gè)厚度，它們發(fā)生在單一層的厚度范圍內(nèi)，主要位置包括：①壓頭尖端，靠近基底和涂層之間的界面；②壓頭的表面，位于尖端和壓痕末端之間的中間部位；③壓痕末端的壓頭邊緣位置。同時(shí)發(fā)現(xiàn)壓頭邊緣下的裂紋的數(shù)量和尺寸小于尖端和表面下的裂紋數(shù)量和尺寸。這表明壓頭引起的應(yīng)力集中在這些區(qū)域較高。從（圖1d）中可以發(fā)現(xiàn)，徑向裂紋僅在CrN層中可觀察到，而韌性Cr層沒(méi)有。說(shuō)明裂紋在CrN和Cr層之間的界面處被阻斷。

根據(jù)Hall-Petch效應(yīng)[5]，由于在不同層之間的界面阻擋了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)于較小的雙層厚度通常擁有更好的性能。因此，可以通過(guò)減小各層的厚度以提高機(jī)械性能。Yonekura等在這方面做了大量工作，他們先在兩種不同的偏壓下通過(guò)電弧離子鍍法在TC4鈦合金基底上進(jìn)行CrN單層的沉積。其中通過(guò)在低偏壓下沉積獲得的涂層疲勞強(qiáng)度有所增加，而在高偏壓條件下沉積的涂層疲勞強(qiáng)度明顯下降。可以預(yù)期，通過(guò)使用具有延性間隙層的多層結(jié)構(gòu)涂層在低偏壓條件下沉積能夠改善鈦合金疲勞性能。Yonekura等還針對(duì)多層結(jié)構(gòu)中Cr層和CrN層的厚度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)具有足夠厚度的Cr層在3～5層涂層結(jié)構(gòu)下能夠增強(qiáng)疲勞抗性。然而，在雙層涂層的情況下，由于Cr/CrN僅有一個(gè)界面，在厚的CrN層中開(kāi)始的裂縫很長(zhǎng)，即使Cr層比3～5層涂層中Cr的總厚更厚，也會(huì)有部分裂紋滲入Cr層。從而可以預(yù)測(cè)，增加多層Cr/CrN的界面數(shù)量和減薄CrN層厚度都可以提高多層涂層的疲勞抗性。

2 復(fù)合涂層對(duì)基體疲勞性能的影響

結(jié)合文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在疲勞試驗(yàn)中，除PVD涂層中的裂紋萌生和擴(kuò)展外，鈦合金基體近表面處也常常誘發(fā)裂紋的萌生。因此強(qiáng)化鈦合金近表面是改善其疲勞抗性的有效手段。利用相關(guān)鈦合金原位表面改性手段復(fù)合PVD涂層，獲得復(fù)合涂層從而提高涂層-基體的抗疲勞性是理論可行的手段。

復(fù)合涂層是指PVD涂層（單層或多層）與其它表面改性技術(shù)（如噴丸/噴砂預(yù)處理、滲鍍層、微弧氧化/陽(yáng)極氧化等）的復(fù)合表面改性涂層, 形成一種帶過(guò)渡層的雙層或多層復(fù)合涂層。復(fù)合涂層是由強(qiáng)化層、結(jié)合層和耐磨層3個(gè)分層組成。其中強(qiáng)化層提高材料表面強(qiáng)度，形成耐磨層與基體間的硬度梯度中間層，對(duì)耐磨層起支撐作用；耐磨層通常由致密的硬質(zhì)涂層構(gòu)成，提高耐磨性；結(jié)合層為強(qiáng)化層與耐磨層之間的過(guò)渡層, 提高兩層間的結(jié)合力。

Mǖnz等對(duì)比了未滲氮與滲氮基體在鍍膜后的疲勞斷裂過(guò)程，提出了涂層的疲勞失效機(jī)制。涂層在受力過(guò)程中，裂紋萌生發(fā)生在基體的近表面區(qū)域，隨著循環(huán)載荷的持續(xù)施加，裂紋不斷擴(kuò)展并進(jìn)入涂層,最終導(dǎo)致涂層的破裂。與未滲氮的軟基體相比，在相同循環(huán)載荷條件下,滲氮處理后的樣品裂紋源難以在基體的近表面區(qū)域生成，產(chǎn)生裂紋的傾向相對(duì)降低，從而提高了涂層-基體抗疲勞性能。

Oka等人研究了在基體等離子體氮化后利用離子鍍技術(shù)沉積了CrN陶瓷涂層，并對(duì)CrN涂層的疲勞試驗(yàn)分別在室溫和723K下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，采用復(fù)合涂層處理可以明顯提高基體的抗疲勞性能。

關(guān)于復(fù)合涂層對(duì)鈦合金基體疲勞性能影響的研究較少，但依據(jù)現(xiàn)有研究和理論基礎(chǔ)，可以大膽推測(cè)該方法具有一定的可行性。總之，涂層基本參數(shù)，包括：膜基結(jié)合力、表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力、界面狀態(tài)、塑性變形抗力（H3/E2）對(duì)基體疲勞性能均具有重大影響。因此從選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀⑼繉又苽鋮?shù)、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及復(fù)合表面處理技術(shù)的應(yīng)用等多方面入手，綜合以上性能選擇出對(duì)鈦合金基體疲勞性能影響最小甚至有益的涂層對(duì)未來(lái)鈦合金表面改性具有重要參考意義。

3 總結(jié)與展望

針對(duì)鈦合金存在的耐磨性差、易氧化腐蝕及表面硬度低等缺陷，利用PVD技術(shù)，選擇適當(dāng)?shù)耐繉硬牧霞敖Y(jié)構(gòu)可使這些性能得以改善。但由于鈦合金疲勞敏感性極強(qiáng)，在表面沉積涂層后往往對(duì)疲勞性能造成一定的影響。因此本文針對(duì)PVD涂層對(duì)鈦合金基體疲勞性能的影響進(jìn)行綜述，歸納如下：

（1）表面平整缺陷少且為殘余壓應(yīng)力的涂層對(duì)鈦合金基體疲勞性能負(fù)面作用小；具有韌性相材料的PVD硬質(zhì)涂層更耐疲勞；涂層的硬彈比（H/E）和塑性變形抵抗力（H3/E2）對(duì)抗裂紋萌生起到關(guān)鍵作用，對(duì)鈦合金基體疲勞性能產(chǎn)生正相關(guān)影響。

（2）軟硬交替的多層結(jié)構(gòu)涂層可抗裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂，對(duì)提高鈦合金基體疲勞抗性有一定的作用，是鈦合金表面PVD涂層的研究發(fā)展方向。

因此，如何選擇合適的涂層制備方法及恰當(dāng)?shù)耐繉硬牧稀⒔Y(jié)構(gòu)，使涂層對(duì)鈦合金疲勞性能的負(fù)面影響得以改善，這是目前鈦合金表面改性急需解決的主要問(wèn)題之一。