張 昕， 溫培剛

（1. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院， 北京100095）

AM355是一種廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片及葉片盤的半奧氏體沉淀硬化鋼。由于壓氣機(jī)工作時(shí)經(jīng)常會(huì)吸入空氣中的固體顆粒造成沖蝕，易使葉片損傷失效，因此通常在葉片表面制備一層陶瓷薄膜對(duì)葉片進(jìn)行保護(hù)。雖然陶瓷材料具有良好的耐磨、耐蝕性能，但普遍存在韌性差、易碎易裂、易剝落的問題。多層膜結(jié)構(gòu)是解決這一問題最有可能的途徑，有研究表明，多層膜結(jié)構(gòu)能獲得比單一膜層結(jié)構(gòu)更優(yōu)越的性能，涂層中大量界面能起到降低應(yīng)力、阻礙位錯(cuò)、鈍化裂紋尖端并阻礙裂紋擴(kuò)展等作用，同時(shí)還可改善膜層與基體的結(jié)合，提高鍍層的韌性和強(qiáng)度[1-2]。

目前，國內(nèi)外已有相關(guān)單位采用多層膜技術(shù)在各類葉片的耐磨、耐蝕防護(hù)方面開展了大量的研究工作，且國外已將該技術(shù)成功應(yīng)用于商業(yè)化產(chǎn)品[3]。針對(duì)葉片表面涂層的研究主要集中在涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如納米復(fù)合涂層、多層交替周期涂層[4-5]）、多元涂層體系的開發(fā)（如三元/四元摻雜涂層[6-7]）以及相關(guān)強(qiáng)化機(jī)理[8-9]、表征技術(shù)研究等方面[10]，但在膜層交替周期對(duì)多層膜性能的影響研究方面還鮮有報(bào)道。本文在AM355鋼基體上制備了CrNx/TiyCr1-yN復(fù)合多層膜，就膜層交替周期對(duì)其表面硬度和膜層與基體結(jié)合力的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)為MEVVA離子束復(fù)合鍍膜設(shè)備(型號(hào)MEVVA-1510 & FAD -90+0）。該設(shè)備具有兩個(gè)陰極真空磁過濾弧源和一個(gè)MEVVA金屬源，具有低能離子注入清洗、離子注入摻雜的能力，可實(shí)現(xiàn)多組元膜層的制備。

1.2 樣品制備

試驗(yàn)用基體材料采用AM355鋼。將AM355鋼棒切割成φ20mm×8mm的圓柱型試樣，鍍膜面用碳化硅砂紙按照 300#、600#、1000#、2000#的順序依次打磨，然后用2.5μm金剛石研磨膏拋光。試樣拋光完成后用丙酮和酒精超聲清洗并烘干。

試樣在膜層沉積之前先用8kV MEVVA源低能濺射清洗 3～5min，然后用 25～30kV 的 Cr1+注入到試樣中用以改善膜層與基體的結(jié)合，注入時(shí)間15min，束流為10～15mA。經(jīng)離子注入實(shí)現(xiàn)預(yù)過渡區(qū)后，沉積一層70～100nm厚的Cr過渡層，然后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將試樣分別停留在左右弧源處實(shí)現(xiàn)CrNx/TiyCr1-yN交替沉積，氮?dú)馔ㄈ肓勘３?5sccm，真空度維持在3.0×10-2～3.5×10-2Pa，負(fù)偏壓-200 V。每一次CrNx/TiyCr1-yN相復(fù)合稱作一個(gè)交替周期，結(jié)合前期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將3組試驗(yàn)交替周期分別定為5、13和26，交替膜中CrNx/TiyCr1-yN的沉積時(shí)間比為1∶1，總沉積時(shí)間為270min。3組試樣的總膜厚均控制在3μm左右，以盡量保證測試結(jié)果的可對(duì)比性。

1.3 表面特征觀察

采用Hitachi S4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)樣品形貌進(jìn)行觀察，采用EDS測試膜層成分。

1.4 物相檢測

采用X射線衍射儀測試膜層物相結(jié)構(gòu)，X射線管為Cu靶陰極，加速電壓40kV，電流30mA，采用連續(xù)掃描模式，掃描角度為 10°～80°，掃描速度2°/min，取樣間隔0.02°。

1.5 硬度測試

采用HXD-1000TMSC型顯微硬度計(jì)對(duì)試樣表面膜層硬度進(jìn)行努式硬度測試，選取至少5個(gè)測試點(diǎn)，取平均值作為測量結(jié)果。顯微硬度測試條件為載荷200g，保載時(shí)間10s。

1.6 結(jié)合力測試

用WS-88自動(dòng)劃痕儀對(duì)試樣表面膜層的結(jié)合力進(jìn)行測試，測試模式為聲發(fā)射模式，測試條件為終止載荷100N，加載速度100N/m，劃痕長度5mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 多層膜形貌觀察

圖1為CrNx/TiyCr1-yN的表面形貌，可以看出：膜層表面致密、無孔洞，僅有少量大顆粒和大顆粒脫落留下的凹坑，對(duì)涂層整體性能影響較小。

圖2為CrNx/TiyCr1-yN多層膜的截面形貌，每層CrNx/TiyCr1-yN之間均存在過渡界面，從而阻礙柱狀晶快速生長，避免了在膜層中形成粗大的柱狀晶組織；膜層的交替層非常明顯，隨著交替周期的增加，交替層中CrNx/TiyCr1-yN的厚度比逐漸接近1∶1；膜層生長均勻，交替層在表面微小起伏處的膜厚分布仍能保持一致。3組試樣的總膜厚均控制在了3μm左右。

2.2 多層膜成分與物相測試

圖1 多層膜表面SEM形貌Fig.1 SEM micrographs of multilayers

圖2 多層膜截面SEM形貌Fig.2 Cross section SEM micrographs of multilayer

采用FESEM上搭載的EDS能譜測試膜層的成分，結(jié)果顯示CrNx/TiyCr1-yN膜層中各元素的原子比Ti∶Cr∶N≈28∶22∶50，N原子所占比例達(dá)到50%，金屬Ti、Cr總占比達(dá)到50%。因此，從成分判斷該多層膜中主要組成是CrN和含有Cr元素?fù)诫s的Ti-N。

用X射線衍射技術(shù)進(jìn)一步分析了多層膜中的物相，結(jié)果如圖3所示。從測試結(jié)果來看，多層膜的物相主要為TiN、CrN，未觀察到明顯的TiCrN峰。在膜層沉積時(shí)Ti離子和Cr離子共同化合形成TiyCr1-yN所需能量較高，在本試驗(yàn)參數(shù)下，Ti離子和Cr離子均優(yōu)先與N離子形成各自的氮化物。由于TiyCr1-yN的中間反應(yīng)歷程較TiN和CrN更加復(fù)雜，以至在TiyCr1-yN未形成時(shí)便以TiN、CrN的中間反應(yīng)物的形式形成最終物相。

XRD譜圖中最強(qiáng)峰是TiN（111）的衍射峰，3組試樣中該峰分布角度約在36°附近，次強(qiáng)峰是TiN（222）衍射峰，分布角度在77°附近；而CrN（200）衍射峰則分布在43°左右。比較圖譜中各衍射峰位置變化可見，隨著交替周期的增加各物相的衍射峰均逐漸向大角度的方向移動(dòng)，由布拉格方程：可知，當(dāng)X射線波長λ不變時(shí)，衍射角θ越大（30°＜θ＜80°），對(duì)應(yīng)的sinθ值越大，則晶面間距d越小，說明隨多層膜交替周期的增加，晶面間距逐漸減小。

觀察77°附近的衍射峰發(fā)現(xiàn)，隨著交替周期增加該峰逐漸變寬，說明多層膜界面存在弱晶或非晶趨勢。文獻(xiàn)[11]研究表明，非晶帶主要在薄膜過渡層或過渡層與基體之間的界面處出現(xiàn)，隨著周期增加，界面數(shù)增多，使得界面處弱晶或非晶比例增大，從而導(dǎo)致77°附近的衍射峰逐漸變寬。

2.3 硬度測試

本試驗(yàn)中3組不同交替周期試樣表面顯微硬度測試結(jié)果見表1。

從測試結(jié)果可看出，隨著多層膜交替周期增加，膜層硬度逐漸降低。本研究中，為了保證膜層結(jié)合力，在CrxN/TiyCr1-yN交替時(shí)都制備有Ti-Cr合金過渡層，過渡層本身的硬度較低。因此，隨著交替周期數(shù)增加，過渡層總沉積時(shí)間延長、所占涂層比重增大，多層膜硬度總體呈現(xiàn)下降的趨勢。

2.4 劃痕測試

用WS-88自動(dòng)劃痕儀對(duì)多層膜結(jié)合力進(jìn)行測試，3組試樣測試結(jié)果。

從測試結(jié)果可看出，隨著交替周期增加，多層膜的硬度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。已有研究表明[1-2，5]，多層膜結(jié)構(gòu)能夠很好地起到緩解界面處應(yīng)力的作用，因此在周期數(shù)從5增至13的過程中，多層膜結(jié)合力逐漸升高。隨著周期數(shù)進(jìn)一步增加，界面處的弱晶/非晶對(duì)膜層結(jié)合力的影響逐漸增大并占據(jù)主導(dǎo)，因此膜層的結(jié)合力在達(dá)到某一峰值后開始下降。

圖3 多層膜物相測試XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of multilayer

表1 多層膜顯微硬度（HK）

3 結(jié)論

（1）采用本試驗(yàn)中工藝制備的CrN/TiCrN多層膜均勻致密，結(jié)合良好，膜層主要物相為TiN、CrxN和少量TiyCr。

（2）隨著交替周期數(shù)增加，硬度較低的Ti-Cr過渡區(qū)所占比例增加，多層膜硬度逐漸降低。

（3）隨著交替周期數(shù)增加，多層膜結(jié)合力呈現(xiàn)先升高后緩慢降低的趨勢。

參 考 文 獻(xiàn)

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