冷熱交替環(huán)境適用的耐磨薄膜設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)

羅珵心

航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川 成都 610073

0 引言

近年來,我國航空事業(yè)高速發(fā)展,飛機(jī)的停飛-飛行過程使得構(gòu)件在嚴(yán)苛的環(huán)境中不斷交替,飛機(jī)上重要傳動(dòng)件的表面質(zhì)量、強(qiáng)度、韌性需要進(jìn)一步提高。但這難以通過提高金屬基體材料本身性能解決,利用表面工程技術(shù),在傳動(dòng)件表面涂裝具有特殊性能的薄膜材料,不僅能保留金屬基材的易加工性、成形性,同時(shí),可利用薄膜材料的本征性能,加強(qiáng)傳動(dòng)件表面的強(qiáng)度、韌性,進(jìn)一步提高飛機(jī)的安全性[1]。

冷熱交替狀態(tài)要求所使用薄膜材料具有良好的適應(yīng)性和耐磨性。CrN薄膜是典型的硬質(zhì)薄膜,具有較高的硬度和耐磨性[2]。然而其抗磨減摩性能還無法滿足要求,于是考慮引入多元氮化物,增強(qiáng)其耐磨性[3]。在眾多多元氮化物中,Si元素?fù)诫s形成的CrSiN薄膜硬度高,耐腐蝕。在干摩擦條件下,CrSiN薄膜比CrN薄膜擁有更好的抗磨減摩性[4]。研究發(fā)現(xiàn),CrSiN薄膜中的CrN和非晶SiNx的相互融合可以有效抑制晶界滑動(dòng),從而提高薄膜整體的硬度[5],且CrSiN復(fù)合薄膜的力學(xué)性能均優(yōu)于CrN薄膜,具有很好的抗磨損性能。同時(shí),CrSiN涂層具有更強(qiáng)的耐高溫性,在900 ℃時(shí),仍能對(duì)結(jié)構(gòu)件起到保護(hù)作用[6]。

金屬Ni的摻雜會(huì)改變CrN薄膜的變形機(jī)制,使其從晶界滑移轉(zhuǎn)變成塑性變形,提高CrN薄膜的韌性。

由此,若是在CrSiN中摻加Ni元素,或許能進(jìn)一步增強(qiáng)其性能。本文利用磁控濺射技術(shù)在Ti6Al4V材料上制備不同摻Ni含量的CrSiN涂層,并在冷熱循環(huán)前后的條件下,對(duì)不同Ni含量涂層的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

選取尺寸為?30×4 mm2的Ti6Al4V為Ni-CrSiN涂層的基體材料,采用磁控濺射技術(shù)在Ti6Al4V基材上制備Ni-CrSiN涂層。整體沉積過程中,Ar流量保持在50 sccm不變,氮?dú)饬髁坑晒獍l(fā)射監(jiān)測(cè)器自動(dòng)控制(預(yù)設(shè)為50%),通過改變NiCr的濺射電流改變Ni-CrSiN涂層中的Ni含量,將0.0、0.4、1.2和2.0 A下制備的涂層分別表示為CrSiN、Ni-CrSiN4、Ni-CrSiN12、Ni-CrSiN20。

利用低溫試驗(yàn)箱,將樣品從室溫降至-40 ℃,保溫1 h,再升至40 ℃,保溫1 h,如此循環(huán)5次。

通過WS-2005劃痕儀來觀測(cè)涂層的附著力,其載荷在0～50 N范圍內(nèi)變化,劃痕長(zhǎng)度為4 mm,并采用動(dòng)態(tài)超顯微硬度儀測(cè)量涂層的彈性模量和硬度,壓入深度保持在200 nm,每個(gè)樣品測(cè)試10個(gè)點(diǎn)求均值。

采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行涂層冷熱循環(huán)后的摩擦磨損試驗(yàn)。對(duì)磨球?yàn)橹睆? mm的SiC球,總滑行距離為1 000 m、加載載荷為2 N、速度為0.1 m/s,試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。摩擦磨損試驗(yàn)后采用光學(xué)顯微鏡和三維形貌儀對(duì)摩擦后涂層的磨痕進(jìn)行觀測(cè)分析,以獲得涂層的磨痕形貌和磨損體積。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層力學(xué)性能

通過試驗(yàn)得知,CrSiN和Ni-CrSiN4在冷熱循環(huán)后硬度升高,而Ni-CrSiN12和Ni-CrSiN20的硬度在冷熱循環(huán)后有所降低,且Ni-CrSiN20的硬度變化最大。4種試樣在冷熱循環(huán)后彈性模量均升高,幅度大致相同,都在15 GPa左右。

對(duì)制備的涂層薄膜試樣冷熱循環(huán)前、后分別進(jìn)行劃痕試驗(yàn),其冷熱循環(huán)前涂層劃痕和聲信號(hào)圖如圖1所示。

圖1 冷熱循環(huán)前涂層劃痕及聲信號(hào)圖

在冷熱循環(huán)前,CrSiN加載到23 N左右時(shí)發(fā)生較為明顯的破裂,產(chǎn)生波動(dòng)很大的聲信號(hào),在劃痕過程有剝落產(chǎn)生。而Ni-CrSiN4和Ni-CrSiN12在劃痕圖中很難看出有較大的剝落,聲信號(hào)圖中均在30 N之后出現(xiàn)波動(dòng)。Ni-CrSiN20的聲信號(hào)一直趨于平穩(wěn),劃痕圖也無明顯剝落痕跡。由此可以看出,在摻雜Ni含量之后,Ni-CrSiN的結(jié)合力均有提高。

在冷熱循環(huán)后,CrSiN的結(jié)合力較循環(huán)前有所下降,在5 N時(shí)聲信號(hào)便出現(xiàn)波動(dòng),劃痕圖也可以看出在1/3位置時(shí)便出現(xiàn)崩壞。Ni-CrSiN4在15 N左右時(shí)發(fā)生破壞,較冷熱循環(huán)前提前很多,在中后段均有大片涂層剝落。Ni-CrSiN12的結(jié)合力較前兩者大幅提升,40 N時(shí)才出現(xiàn)明顯波動(dòng),僅在劃痕末尾處有輕微剝落現(xiàn)象。Ni-CrSiN20的結(jié)合力表現(xiàn)也很出色,在37 N左右才出現(xiàn)破壞,在3/4處才出現(xiàn)大塊的涂層剝落。

CrSiN和Ni-CrSiN4涂層在冷熱循環(huán)后結(jié)合力變差,而Ni-CrSiN12和Ni-CrSiN20涂層在冷熱循環(huán)后結(jié)合力變好。Ni含量為8.68 at%的Ni-CrSiN薄膜在結(jié)合力方面具有最優(yōu)的冷熱變化適應(yīng)性。

2.2 涂層摩擦性能討論

通過試驗(yàn)得知:在冷熱循環(huán)前,CrSiN、Ni-CrSiN4、Ni-CrSiN12和Ni-CrSiN20涂層的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.59、0.61、0.64和0.85。

在冷熱循環(huán)后,CrSiN、Ni-CrSiN4、Ni-CrSiN12和Ni-CrSiN20涂層的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.65、0.83、0.87和0.85。各涂層的摩擦系數(shù)相差不大,Ni-CrSiN12略大于其余三者。

綜上,在冷熱循環(huán)后,CrSiN、Ni-CrSiN4和Ni-CrSiN12涂層穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)均有所提高,Ni-CrSiN4和Ni-CrSiN12的變化最大,摩擦系數(shù)均提升0.2。

對(duì)冷熱循環(huán)前后涂層的磨損體積進(jìn)行計(jì)算后得知,在冷熱循環(huán)前,不摻Ni的涂層磨損率大于摻Ni的涂層磨損率,即Ni摻雜可以改善CrSiN涂層在常溫下的耐磨性。但隨著Ni含量的增加,涂層的磨損率呈上升趨勢(shì),Ni-CrSiN20涂層的磨損率達(dá)到7.90×10-7mm3/Nm。在冷熱循環(huán)后,所有摻Ni的涂層磨損率均明顯提高,Ni-CrSiN20涂層的磨損率提升最大,達(dá)到2.14×10-6mm3/Nm。

3 結(jié)論

冷熱循環(huán)前Ni的摻雜可以降低CrSiN涂層的磨損率,但是隨著Ni含量的增加,Ni-CrSiN涂層的磨損率不斷升高;冷熱循環(huán)后,摻雜Ni后會(huì)削弱CrSiN涂層的耐磨性,且隨著Ni含量的增加,Ni-CrSiN涂層的磨損率會(huì)有所增加。

對(duì)于結(jié)合力而言,Ni含量為8.68 at%和14.41 at%的Ni-CrSiN涂層經(jīng)冷熱循環(huán)后的結(jié)合力高于冷熱循環(huán)前的結(jié)合力,其中Ni含量為8.68 at%的Ni-CrSiN涂層結(jié)合力最佳。

綜上,摻雜Ni元素的CrSiN涂層可以一定程度上增加冷熱交替狀態(tài)下的結(jié)合力,但耐磨性有所削弱。