田甜，林松盛，王迪，柏松，曲帥杰，郭朝乾，代明江

（1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所 現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510651）

機(jī)器零部件的失效約80%是因磨損引起的，每年因磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2%～7%，如果以5%計(jì)算，2019 年我國(guó)因磨損造成的損失就可能達(dá)4.95 萬(wàn)億元[1]。沖蝕磨損是指材料表面受到細(xì)小而松散的流動(dòng)顆粒的沖擊而發(fā)生損傷的一種磨損現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在航空航天、機(jī)械、能源、冶金等行業(yè)中廣泛存在，是造成材料破壞或部件失效的主要原因之一。它首先發(fā)生在材料表面，因此材料的表面質(zhì)量是控制沖蝕磨損損失量的關(guān)鍵[2]。目前，主要通過(guò)在材料表面添加防護(hù)性膜層來(lái)提升抗沖蝕磨損性能，這種方法易于實(shí)現(xiàn)，且已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

隨著科技的發(fā)展，人們通過(guò)多元膜層[3-4]、多層膜層[5-7]來(lái)提高膜層的性能，并取得了較大進(jìn)展。Alexander 等人[8]利用等離子噴涂技術(shù)制備了厚度約為7～9 μm 的Cr/CrC 膜層，使鈦合金樣品的耐磨性提高了1.5 倍。Cai 等人[9]通過(guò)離子鍍技術(shù)在鈦合金（TC4）上制備了具有多層結(jié)構(gòu)的Cr/CrSiN 膜層，發(fā)現(xiàn)Cr/CrSiN-10 多層膜層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度和良好的抗沖蝕性能。金杰等人[10]證明了不同體系的膜層抗沖蝕性能差異較大，二元金屬及其氮化物的交替復(fù)合膜層抗沖蝕性能更佳。有研究表明，CrAlN 膜層較其他膜層具有更高的硬度，且具有優(yōu)異的耐磨及抗沖蝕性能[11-12]。梁楊夢(mèng)甜等人[13]通過(guò)研究Al 靶功率對(duì)CrAlN 納米梯度膜層組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al 含量對(duì)膜層性能有重要影響。目前主要通過(guò)構(gòu)建交替沉積CrAlN 層和其他層來(lái)優(yōu)化CrAlN 膜層的整體性能，多層結(jié)構(gòu)交接處會(huì)產(chǎn)生Hall-Petch 強(qiáng)化，使其綜合性能更好[14]。如Hu 等人[15]通過(guò)插入具有特殊熱穩(wěn)定性能的TiAlSiN 膜層到CrAlN 膜層中，來(lái)抑制Cr—N 鍵的斷裂，以改善CrAlN 膜層的力學(xué)性能。

在晶體/晶體納米多層體系中，如TiN/TiAlN 和ZrO2/TiN，當(dāng)其中一個(gè)晶體層被迫適應(yīng)另一個(gè)晶體層的結(jié)構(gòu)時(shí)，膜層性能對(duì)生長(zhǎng)條件和調(diào)制周期都非常敏感[16]。Xu 等[17]通過(guò)第一性原理設(shè)計(jì)了多層膜層的調(diào)制比，通過(guò)改變膜層的調(diào)制比進(jìn)而改變膜層的成分，導(dǎo)致其性能顯著不同，并探討了調(diào)制比對(duì)多層膜層外延穩(wěn)定性的影響。目前，研究人員對(duì)不同多層膜層進(jìn)行了調(diào)制比研究[18-20]，結(jié)果都表明，改變膜層的調(diào)制比，可以改變多層膜層的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。

Wang 等人[21-22]通過(guò)電弧離子鍍制備了Cr/CrAlN和Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層，并研究了其相組成和力學(xué)性能，同時(shí)通過(guò)有限元方法研究了膜層在沖蝕過(guò)程中的應(yīng)力變化，分析了膜層的破壞機(jī)理。結(jié)果表明，與Cr/CrAlN 膜層相比，Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層具有更少的表面微粒、更高的結(jié)合強(qiáng)度和更低的殘余應(yīng)力，且Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層表現(xiàn)出最佳的抗沖蝕性能。目前已有科研工作者研究了靶電流、偏壓和爐壓等工藝參數(shù)對(duì)Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層結(jié)構(gòu)及性能的影響，并對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化；同時(shí)進(jìn)行了電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)合強(qiáng)永磁復(fù)合磁場(chǎng)研究，利用電弧離子鍍技術(shù)制備Cr/CrN/Cr/CrAlN 多元多層結(jié)構(gòu)膜層，并對(duì)其強(qiáng)韌調(diào)制、抗沖蝕機(jī)理等進(jìn)行了研究[23]。在前期研究基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究工藝參數(shù)對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)及性能的影響，本試驗(yàn)采用真空陰極電弧沉積技術(shù)在TC4 鈦合金表面制備了不同調(diào)制比（LCr/CrN∶LCr/CrAlN）的Cr/CrN/Cr/CrAlN多層膜，并研究了調(diào)制比的變化對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)及性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

本試驗(yàn)用TC4 鈦合金（Ti-6Al-4V）和單晶硅片P(100)作為基體材料。單晶硅片主要用于分析多層膜的微觀結(jié)構(gòu)。TC4 鈦合金基體表面需用砂紙打磨至表面Ra＜0.4 μm，以用于相關(guān)性能測(cè)試。試樣鍍膜前進(jìn)行超聲清洗。鍍膜設(shè)備采用國(guó)產(chǎn)定制的AS700DTX型自動(dòng)控制十六弧陰極電弧鍍膜機(jī)，真空腔內(nèi)共分布四列靶，每列靶自上而下分布4 個(gè)靶位。選擇其中一列安裝CrAl 靶（Cr∶Al=50∶50，純度＞99.5%），一列安裝Cr 靶（純度＞99.5%），靶材尺寸統(tǒng)一為?100 mm×30 mm。所用的氣體為氮?dú)夂蜌鍤猓兌龋?9.999%）。鍍膜前用-900 V 偏壓輝光放電對(duì)試樣進(jìn)行1 h 離子轟擊清洗，通過(guò)控制靶的使用和氣體的通入，先沉積約1.5 μm 的CrN 過(guò)渡層，然后沉積Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜，每一周期約為200～300 nm，重復(fù)36 周期。每一周期LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。膜層的沉積參數(shù)主要為：靶電流80～90 A，偏壓-100 V，爐內(nèi)壓強(qiáng)1.0 Pa，溫度350 ℃。

表1 Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜LCr/CrN∶LCr/CrAlN 調(diào)制比設(shè)計(jì)Tab.1 Cr/ CrN/Cr/CrAlN multilayers LCr/CrN ∶LCr/CrAlN modulation ratio design

1.2 測(cè)試方法

多層膜表面及截面形貌通過(guò)Nova NanoSEM 430型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察，表面大顆粒通過(guò)Image-Pro 軟件進(jìn)行定量分析，得到其在膜層表面的面積占比。利用X 射線衍射儀表征膜層的晶體結(jié)構(gòu)。膜層的維氏顯微硬度通過(guò)MH-5D 型硬度計(jì)測(cè)量，設(shè)定載荷為25 g，保載時(shí)間為15 s。膜基結(jié)合力通過(guò)HH-3000 型膜/基結(jié)合強(qiáng)度劃痕試驗(yàn)儀測(cè)量，設(shè)定載荷為0～100 N，時(shí)間為1 min，劃痕長(zhǎng)度為5 mm。

通過(guò)FST-150 應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量鍍膜前后基片的曲率半徑，利用基片彎曲法根據(jù)Stoney 公式[24]計(jì)算得出殘余應(yīng)力。通過(guò) AS600-特制噴砂試驗(yàn)機(jī)，按ASTM G76-05 標(biāo)準(zhǔn)[25]進(jìn)行抗沖蝕性能測(cè)試，固體磨粒選擇氧化鋁（Al2O3）顆粒，平均尺寸為80 μm，砂粒速率為30 m/s，進(jìn)砂速率約為2 g/min，樣品與噴嘴出口之間的工作距離為10 mm，沖蝕角為90°和30°。通過(guò)Dektakxt 三維表面輪廓儀測(cè)量沖蝕坑深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜層結(jié)構(gòu)分析

圖1為不同LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN多層膜的SEM 表面形貌（圖1a—g）及膜層上顆粒占膜層表面總面積的比例（圖1h）。由圖1 可以看出，所有膜層表面上均存在一些大顆粒和因顆粒掉落形成的小坑。由于傳統(tǒng)的陰極電弧離子鍍?yōu)闊釄?chǎng)致發(fā)射脫靶機(jī)制，靶材會(huì)因弧光放電而局部熔融噴射出微米級(jí)熔融態(tài)的金屬大顆粒。這些由大顆粒形成的突起很容易受到砂礫的沖蝕，表面大顆粒掉落后會(huì)形成凹坑。這些凹坑易成為疲勞或沖蝕破壞的應(yīng)力集中點(diǎn)，從而導(dǎo)致涂層快速失效。所以，膜層表面大顆粒越少越好。通過(guò)定量分析（圖1h）可知，膜層表面顆粒數(shù)量隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN比例的增大而減少。當(dāng)LCr/CrN∶LCr/CrAlN=0∶1 時(shí)，膜層表面的顆粒占比最大，達(dá)到13.90%；當(dāng)LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶0 時(shí)，顆粒占比最小，其值約為 4.44%。表 2 為不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層表面成分分析，能夠發(fā)現(xiàn)，隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的增大，Cr 含量逐漸增多，Al 含量逐漸減少至零，N 含量基本保持不變。膜層表面大顆粒隨調(diào)制比變化，是因?yàn)锳l 的熔點(diǎn)低于Cr，它更有可能熔化并形成液滴，最終導(dǎo)致表面大量微粒的沉積[21]，所以隨著CrAlN 比例的增加，表面顆粒增多，隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比增加，表面顆粒減少，表面質(zhì)量提升。

圖1 不同調(diào)制比多層膜表面形貌及表面大顆粒占比變化趨勢(shì)Fig.1 Surface morphology and surface large particle proportion of multilayer films with different modulation ratios: h) surface large particle proportion change trend

表2 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜原子百分比Tab.2 Atomic percentage of Cr/CrN/Cr/CrAlN multilayers with different modulation ratios

圖2 為不同LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的截面形貌圖。可以看到不同調(diào)制比的膜層厚度為7～9 μm，除去約1.5 μm 的CrN 過(guò)渡層，36 周期的Cr/CrN/Cr/CrAlN 層約6～8 μm，每一周期約200～250 nm，這與設(shè)計(jì)的基本一致。同時(shí)，從截面形貌可以看出，膜層非常致密，由于每層中均含有Cr 元素，未能觀察到清晰的多層結(jié)構(gòu)，但可以觀察到當(dāng)LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比為1∶2 時(shí)，膜層更加致密細(xì)膩，孔洞等缺陷少。富金屬相Cr 層能夠降低陶瓷層界面間的應(yīng)力，使多層膜層界面間結(jié)合良好，從而提高膜層抵抗脆斷的能力。

圖2 不同調(diào)制比多層膜截面形貌Fig.2 Cross section morphology of Cr/CrN/Cr/CrAlN multilayers with modulation ratios

圖3 為不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的XRD 圖譜。膜層均顯示出與(Cr,Al)N 的NaCl-B1 型結(jié)構(gòu)（FCC）相匹配的相似晶體峰，衍射峰主要為(111)、(200)和(220)。根據(jù)能量最小化原理，膜層會(huì)在自由能最低的面擇優(yōu)取向，且擇優(yōu)取向是表面能與應(yīng)變能相競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。在面心立方結(jié)構(gòu)中，當(dāng)表面能占優(yōu)勢(shì)時(shí)，膜層將沿著(200)晶面生長(zhǎng)；當(dāng)應(yīng)變能占優(yōu)勢(shì)時(shí)，膜層將沿著(111)晶面生長(zhǎng)[26-27]。調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=0∶1 時(shí)，擇優(yōu)取向?yàn)?111)，此時(shí)Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的應(yīng)變能起主導(dǎo)作用，膜層內(nèi)應(yīng)力大；隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的增加，膜層擇優(yōu)取向從(111)轉(zhuǎn)向(200)，這是因?yàn)槎鄬幽さ膽?yīng)變能作用逐漸減小，表面能逐漸起主導(dǎo)作用，膜層內(nèi)應(yīng)力減小。

圖3 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of Cr/CrN/Cr/CrAlN multilayers with different modulation ratios

2.2 膜層性能

2.2.1 膜層結(jié)合力、硬度和殘余應(yīng)力

膜層與基材的結(jié)合強(qiáng)度對(duì)其應(yīng)用性能起著重要作用[28]。從圖4 及表3 可以看出，當(dāng)LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比增加至1∶2 時(shí)，膜層的結(jié)合力達(dá)到最佳，為31.8 N，LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比繼續(xù)增加，多層膜的結(jié)合逐漸下降。分析認(rèn)為，多層膜的結(jié)合力除了與其致密度有一定的關(guān)系外，還受殘余應(yīng)力的影響。主要原因是應(yīng)力能夠引起鍵收縮，導(dǎo)致鍵之間的相互作用增強(qiáng)[29]。膜層的殘余應(yīng)力包括內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力[30]。內(nèi)應(yīng)力是在沉積過(guò)程中產(chǎn)生的，其主要與膜層的結(jié)構(gòu)和形貌有關(guān)，且取決于沉積粒子撞擊基體表面時(shí)的能量。因此，內(nèi)應(yīng)力與高偏壓條件下涂層生長(zhǎng)時(shí)的金屬離子轟擊有關(guān)。熱應(yīng)力是指在熱沖擊過(guò)程中由基體和涂層之間的不同熱膨脹系數(shù)而引起的應(yīng)力，也稱為雙金屬效應(yīng)[31-32]。多層膜層在每層中具有不同的結(jié)構(gòu)和轟擊能量，因此在層與層之間也會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力。過(guò)多的殘余應(yīng)力容易引起裂紋的萌生和擴(kuò)展。本試驗(yàn)中多層膜的殘余應(yīng)力，也呈現(xiàn)出與結(jié)合力隨調(diào)制比變化的趨勢(shì)基本吻合的結(jié)果。殘余應(yīng)力隨著Cr/CrN 層比例的增加而逐漸降低，在LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶1 時(shí)最低，為-1.968 GPa。這是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力包括內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力，多層結(jié)構(gòu)能抑制晶粒生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力較低，繼續(xù)增加Cr/CrN 的比例，殘余應(yīng)力反而有所升高，說(shuō)明通過(guò)調(diào)控膜層的調(diào)制比，能夠一定程度上減少殘余應(yīng)力。而多層膜的硬度隨著Cr/CrN 層比例的增加越來(lái)越低，當(dāng)LCr/CrN∶LCr/CrAlN=0∶1 時(shí)，膜層的硬度達(dá)到了3500HV 以上，當(dāng)LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶0時(shí)，膜層硬度約為2235HV。膜層的硬度受各種因素的影響，例如表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、元素組成、內(nèi)部應(yīng)力、厚度等。隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的變化，多層膜成分發(fā)生改變，從而引起膜層微觀結(jié)構(gòu)的改變。(Cr,Al)N 的密排面為(111)，當(dāng)Cr/CrN/Cr/CrAlN膜層擇優(yōu)取向從(111)轉(zhuǎn)向(200)時(shí)，膜層硬度會(huì)降低，且CrAlN 膜層通常表現(xiàn)出較高硬度，而CrN 膜層硬度較低，故Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層的硬度隨著Cr/CrN 層占比的增加而降低，即膜層成分與其微觀結(jié)構(gòu)是影響多層膜硬度的主要因素。而膜層硬度對(duì)膜層的抗沖蝕性能有重要影響：硬度過(guò)高，膜層脆性大，容易造成沖蝕性能下降；硬度過(guò)低，難以抵抗砂粒沖蝕。

圖4 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層性能測(cè)試結(jié)果Fig.4 Cr/CrN/Cr/CrAlN coatings with different modulation ratios: a) scratch photos; b) hardness comparison; c) residual stress comparison

當(dāng)硬度達(dá)到一定水平時(shí)，斷裂韌性或裂紋擴(kuò)展抗力對(duì)脆性磨損起重要作用[33-34]。其中，韌性以裂紋擴(kuò)展抗力（CPR）表征，如公式(1)所示。

式中：Lc1為膜層開(kāi)始破裂時(shí)的臨界載荷；Lc2為膜層完全剝離失效時(shí)的臨界載荷（常用來(lái)表示膜層的結(jié)合力）。同時(shí)，Lc1又是硬度和斷裂韌性Kc的函數(shù)，如公式(2)所示。

式中：L為常數(shù)（L=2×105）；H為硬度；Kc為斷裂韌性。膜層的韌性可以通過(guò)劃痕裂紋擴(kuò)展抗力（CPR）來(lái)表征，Lc1越大，膜層的抗開(kāi)裂能力越強(qiáng)。Lc1和Lc2之間的距離越大，則膜層抵抗裂紋擴(kuò)展的時(shí)間就越長(zhǎng)，即CPR 值越大，膜層韌性越好。良好的韌性是硬質(zhì)膜層關(guān)注的重點(diǎn)，斷裂韌性越好，膜層的抗沖蝕性能越佳。通過(guò)計(jì)算，不同調(diào)制比多層膜的裂紋擴(kuò)展抗力和斷裂韌性見(jiàn)表3。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的增加，膜層的裂紋擴(kuò)展抗力和斷裂韌性都先增加、后減小，在LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 時(shí)，裂紋擴(kuò)展抗力及斷裂韌性均達(dá)到最優(yōu)。通過(guò)膜層硬度、結(jié)合力、殘余應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展抗力和斷裂韌性評(píng)價(jià)，在調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2時(shí)，膜層綜合性能最佳。

表3 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層的結(jié)合力、殘余應(yīng)力、硬度、裂紋擴(kuò)展抗力及斷裂韌性Tab.3 Ahesion, residual stress, har dness, crack growth resistance and fracture toughness of Cr/CrN/Cr/CrAlN coatings with different modulation ratios

2.2.2 膜層的抗沖蝕性能

通過(guò)分別對(duì)比在30°沖蝕角和90°沖蝕角時(shí)，TC4鈦合金基體和七組不同調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的沖蝕坑深度及沖蝕率（沖蝕率=沖蝕深度/砂粒量），來(lái)評(píng)估膜層抗沖蝕性能的優(yōu)劣。

表4 為TC4 鈦合金基體和七組不同調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層在90°沖蝕角下沖蝕不同砂量的沖蝕坑深。從表中可以看出，調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層試樣抗90°砂粒沖蝕性能最佳，在砂量達(dá)到5 g 時(shí)，部分調(diào)制比的膜層試樣已經(jīng)沖蝕到基體，而調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層試樣未達(dá)到基體，沖蝕坑深為5.5 μm，約為TC4 基體沖蝕坑深的1/3。

表4 90°沖蝕角下膜層在不同沖蝕砂量下的沖蝕坑深度比較Tab.4 Comparison of pitting depths of coatings at different erosion sand amounts under 90° erosion angle

表5 為TC4 鈦合金基體和七組不同調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層在30°沖蝕角下沖蝕不同砂量的沖蝕坑深。從表中同樣可以得到，調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層試樣抗30°砂粒沖蝕性能最佳，在砂量達(dá)到10 g 時(shí)，部分調(diào)制比的膜層試樣已經(jīng)沖蝕到基體，而調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2的膜層試樣還未達(dá)到基體，沖蝕坑深為3.665 μm，約為TC4 基體沖蝕坑深的1/7。因此，無(wú)論是在90°沖蝕角還是30°沖蝕角下，在未沖蝕到基體前，膜層都具有一定的抗沖蝕性能，即使沖蝕至基體，所有膜層試樣的沖蝕坑深都較TC4 基材淺，說(shuō)明未破損的膜層起到保護(hù)作用。

表5 30°沖蝕角下膜層在不同沖蝕砂量下的沖蝕坑深度比較Tab.5 Comparison of erosion pit depths of coatings at different erosion sand amounts at a 30° erosion angle

通過(guò)進(jìn)一步比較不同調(diào)制比膜層的沖蝕率來(lái)評(píng)估膜層的抗沖蝕性能。圖5a 為90°沖蝕角、5 g 砂量下不同調(diào)制比的膜層及基體的沖蝕率。圖5b 為30°沖蝕角、10 g 砂量下不同調(diào)制比的膜層及基體的沖蝕率。結(jié)果均表明，隨著調(diào)制比的變化，膜層的抗沖蝕性能存在明顯差距。隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比由0∶1 增加至1∶2，膜層的抗沖蝕性能上升到最佳（90°攻角沖蝕率為1.1 μm/g，30°攻角沖蝕率為0.366 μm/g），隨后繼續(xù)增加Cr/CrN 份額，膜層的抗沖蝕性能反而下降。

圖5 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜沖蝕率柱狀圖Fig.5 Erosion rate comparison of Cr/CrN/Cr/CrAlN multilayers with different modulation ratios

圖6 為調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在沖蝕角為90°時(shí)的沖蝕形貌。通過(guò)觀察沖蝕形貌，可以明顯看出膜層的沖蝕機(jī)理為脆性破碎，與文獻(xiàn)[28]中報(bào)道的沖蝕機(jī)制一致。對(duì)比沖蝕中心和一些輕微沖蝕區(qū)，可以看到裂紋主要分布在沖蝕中心，這是因?yàn)樵?0°沖蝕角下，砂粒垂直作用于膜層表面，法向力起主導(dǎo)作用。圖6 中標(biāo)識(shí)1 處為明顯的臺(tái)階狀形貌，可能是因?yàn)樯傲Ｔ跊_擊到膜層時(shí)形成裂紋源（如標(biāo)識(shí)3），砂粒繼續(xù)沖擊的壓應(yīng)力會(huì)使裂紋繼續(xù)生長(zhǎng)，直至發(fā)生徑向開(kāi)裂，但是底層的Cr 層硬度較低，韌性較好，能夠吸收部分能量，有效阻止膜層的繼續(xù)開(kāi)裂，故而形成臺(tái)階狀形貌。膜層表面大顆粒受到砂粒沖擊時(shí)很容易脫落，形成如標(biāo)識(shí)2 處的坑狀裂紋，其可以看作一個(gè)裂紋源，因此更容易發(fā)生脆性剝落。

圖6 調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在沖蝕角為90°時(shí)的沖蝕形貌Fig.6 Erosion morphology of the coating with LCr/CrN ∶LCr/CrAlN=1∶2 at an erosion angle of 90°

圖7 為L(zhǎng)Cr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在沖蝕角為30°時(shí)的沖蝕形貌。同樣也能看到?jīng)_蝕后形成的臺(tái)階狀形貌（1）、沖蝕坑（2）以及膜層上的小裂紋（3），說(shuō)明沖蝕角為30°時(shí)，膜層的失效方式與90°時(shí)一致，為脆性斷裂，但沖蝕破損較小。對(duì)比30°沖蝕角與90°沖蝕角的沖蝕率發(fā)現(xiàn)，LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在30°沖蝕角下的沖蝕率約為90°沖蝕角的1/3。這是因?yàn)樵诖嘈圆牧希ㄈ缣沾赡樱┲校ㄏ驔_擊角下的材料會(huì)呈現(xiàn)最大的材料損失值[35]，而30°沖蝕角下砂粒對(duì)膜層的法向沖擊力遠(yuǎn)小于90°沖蝕角下的值。

圖7 調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在沖蝕角為30°時(shí)的沖蝕形貌Fig.7 Erosion morphology of the coating with LCr/CrN ∶LCr/CrAlN=1∶2 at an erosion angle of 30°

膜層的抗沖蝕能力與其硬度、結(jié)合力和抗裂韌性密切相關(guān)。要獲得良好的抗砂粒沖蝕能力，須具有足夠的硬度和良好的韌性。有研究報(bào)道[36]，多層膜層的抗裂性主要受膜層韌性的影響，膜層界面增韌有助于減少膜層開(kāi)裂引起的沖蝕侵害。多層膜層結(jié)構(gòu)中界面數(shù)量較多，增韌效果加強(qiáng)。沖蝕過(guò)程中，砂粒的沖擊導(dǎo)致應(yīng)力集中在表面層，迫使脆性層斷裂，金屬層能有效吸收一部分應(yīng)力，延緩裂紋的擴(kuò)展。在本試驗(yàn)中，調(diào)制比（LCr/CrN∶LCr/CrAlN）為1∶2 時(shí)，膜層在保證高硬度的基礎(chǔ)上，其結(jié)合力、裂紋擴(kuò)展抗力和斷裂韌性達(dá)到最佳，因此表現(xiàn)出最好的抗砂粒沖蝕性能。

3 結(jié)論

采用電弧離子鍍技術(shù)在 TC4 鈦合金上制備了7～9 μm 不同LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的多層膜，研究了調(diào)制比對(duì)膜層結(jié)構(gòu)及性能的影響，結(jié)論如下：

1）隨著Cr/CrN 比例的增加，多層膜表面質(zhì)量提升，多層膜生長(zhǎng)擇優(yōu)取向由(111)晶面轉(zhuǎn)向(200)晶面。

2）隨著Cr/CrN 比例的增加，多層膜的硬度呈下降趨勢(shì)，結(jié)合力和韌性則呈先升后降的趨勢(shì)，并在LCr/CrN∶LCr/CrAlN為1∶2 時(shí)達(dá)到最佳。

3）多層膜抗砂粒沖蝕性能的變化規(guī)律與力學(xué)性能一致，在LCr/CrN∶LCr/CrAlN為1∶2 時(shí)為最佳，其抗沖蝕能力是TC4 基材的3 倍以上，多層膜呈典型的脆性斷裂失效形式。