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        TC4鈦合金表面沉積Cr AlSiN涂層的組織與性能

        2022-06-29 07:20:14吳一若張月霞張毓軍劉滿紅胡瀚杰陳全龍周志明
        金屬熱處理 2022年6期
        關(guān)鍵詞:滲氮磨痕因數(shù)

        吳一若,謝 峰,張月霞,張毓軍,劉滿紅,胡瀚杰,陳全龍,周志明

        (1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400054;2.重慶建設(shè)工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,重慶 400054;3.重慶鐵馬工業(yè)集團有限公司,重慶 400050;4.重慶交通大學(xué) 綠色航空技術(shù)研究院,重慶 401135)

        鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好和良好的生物相容性等優(yōu)良性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、生物醫(yī)療和能源化工領(lǐng)域[1-3]。隨著兵器和武器輕量化的發(fā)展,鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材成為研究熱點。擺臂是特種車輛承受大載荷和耐腐蝕的關(guān)鍵零件,然而TC4鈦合金存在表面硬度低和耐磨性能差等問題,導(dǎo)致表面易磨損,使用壽命低。針對上述問題,采用表面改性技術(shù)處理鈦合金,既可以賦予鈦合金表面優(yōu)異的性能,又可以保留鈦合金本身的優(yōu)良性能。

        多弧離子鍍技術(shù)具有靶材離化率高、沉積速度快、繞鍍性好和膜基結(jié)合力高等優(yōu)點,是目前應(yīng)用最廣泛的表面改性方法之一。王昆侖等[4]采用多弧離子鍍技術(shù),在單晶硅上制備了TiAlSiN涂層,通過正交試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)負(fù)偏壓為400 V、沉積溫度為300℃、氮氣流量為150 mL/min、靶材電流為50 A時,制備的涂層綜合性能最佳,硬度和膜基結(jié)合力分別高達39.6 GPa和31.2 N。鐘華生[5]采用多弧離子鍍技術(shù)在鈦合金表面沉積TiCN防護薄膜,鍍膜鈦合金的摩擦因數(shù)遠低于鈦合金自身摩擦因數(shù),隨碳摻雜量的增加,薄膜硬度明顯增大,彈性模量也增加。?omakli等[6]采用陰極電弧PVD工藝在Ti45Nb合金上分別制備了CrN、TiAlN單層涂層和TiAlN/CrN多層涂層,試驗表明,3種涂層均比基體材料具有更高的硬度和更好的摩擦學(xué)性能,其中多層涂層的硬度最大(35~40 GPa),且磨損率最低。李娜等[7]采用多弧離子鍍技術(shù)在YT14硬質(zhì)合金上制備了不同調(diào)制周期的CrAlSiN/TiAlSiN納米復(fù)合涂層,研究結(jié)果表明,當(dāng)樣品轉(zhuǎn)速為6 r/min時,復(fù)合涂層具有最小摩擦因數(shù)0.375,最大顯微硬度38 GPa。以往的研究主要集中在TC4鈦合金表面直接鍍TiAlN/CrN等涂層,而高硬度的CrAlSiN涂層研究集中在鋼基體上。由于TC4鈦合金基體硬度相對低,直接在TC4鈦合金上制備硬質(zhì)涂層,其在大載荷下容易破裂,因此采用滲氮層強化基體,形成過渡層,進而提高使用壽命。本文首先采用等離子滲氮技術(shù)處理TC4鈦合金,提高基體表面硬度,然后采用多弧離子鍍技術(shù)制備CrAlSiN涂層,并研究該涂層的耐磨性能,進而提高TC4鈦合金的耐磨性和耐蝕性,對TC4鈦合金擺臂的生產(chǎn)提供指導(dǎo)并為其它鈦合金高耐磨涂層制備提供參考。

        1 試驗材料及方法

        1.1 試驗材料及涂層制備方法

        選用TC4鈦合金作為基體,經(jīng)線切割成尺寸為15 mm×15 mm×4 mm的試樣。采用400~5000號水砂紙對基體進行打磨,使用機械拋光機拋光至鏡面,分別置于丙酮和無水乙醇中超聲清洗15 min,取出烘干待用。等離子滲氮溫度為850℃,時間為6 h。將滲氮后的試樣使用機械拋光機除去表面雜質(zhì),置于去離子水和無水乙醇中超聲清洗15 min,取出烘干并固定在鍍膜真空室試樣轉(zhuǎn)架上待用。為了提高涂層結(jié)合力,對基體進行離子清洗,通入高純Ar氣,開啟偏壓電源,基體偏壓400 V,清洗試樣20 min。采用多弧離子鍍設(shè)備沉積涂層,所用靶材為兩個純Cr靶和兩個AlSi靶(Si原子分?jǐn)?shù)為20%),間隔安裝;抽真空至5×10-3Pa以下,溫度升至300℃對基體預(yù)熱,試樣轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為3 r/min;工作氣體采用高純Ar氣和N2氣,Ar氣為保護氣體,N2氣為反應(yīng)氣體。接下來開啟4個靶材進行鍍膜,詳細沉積工藝如表1所示。

        表1 Cr AlSiN涂層沉積工藝參數(shù)Table 1 Deposition parameters of the Cr AlSiN coating

        1.2 表征及性能測試

        利用JSM-6460LV型掃描電鏡觀察涂層表面形貌和摩擦磨損后的磨痕。采用型號為PANalytical Eepyrean Series 2的X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相。利用HVS-1000Z型維氏顯微硬度計測試涂層的硬度,載荷砝碼為25 g,保壓時間為15 s,測量10個點,取其平均值。使用高速往復(fù)摩擦磨損儀測試室溫下涂層的摩擦磨損性能,以φ6 mm的SiC球為對磨副,載荷為5 N,頻率為2 Hz,往復(fù)滑動位移為10 mm,測試時間為30 min。采用ContourGT-K型三維光學(xué)輪廓儀分析磨痕輪廓。采用型號為Gamry300的電化學(xué)工作站,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl去離子水中測量涂層的腐蝕性能,本試驗采用三電極系統(tǒng),其中參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為鉑電極,涂層試樣為工作電極,面積為1 mV/s。測試過程掃描范圍為-1~1 V,掃描速度為1 mV/s。

        2 試驗結(jié)果及分析

        2.1 顯微組織

        從CrAlSiN涂層的表面形貌(見圖1(a))可以看出,涂層表面存在一些白色大顆粒、凹坑和針孔狀的孔洞。CrAlSiN涂層的厚度為707 nm,見圖1(b)。白色大顆粒的形成有可能是靶材成分不均勻,也有可能是弧斑受磁場控制較弱,使靶材同一點蒸發(fā)形成的“大熔滴”沉積到基體表面形成大顆粒,一些結(jié)合不牢固的顆粒脫落形成針孔狀的孔洞;凹坑有可能是大顆粒脫落造成,也有可能是離子加速對涂層表面轟擊而形成[8-9],中性粒子團簇是靠慣性飛落到基體上的,與周圍涂層材料結(jié)合不牢固,有時還會出現(xiàn)縫隙,當(dāng)涂層生長過程中形成的的壓應(yīng)力過大時,就會導(dǎo)致顆粒剝落,形成微孔。沉積在TC4鈦合金上的CrAlSiN涂層的XRD圖譜如圖2,涂層出現(xiàn)了(200)、(111)和(110)衍射峰,其中(110)與(111)的疊加衍射峰最強。由于涂層中Al、Cr原子來源于AlSi靶和純Cr靶,濺射過程中Al濺射粒子數(shù)量要小于Cr的濺射數(shù)量,因此在涂層中首先生成了CrN、Cr2N和AlN;一部分原子半徑比Cr原子小的Al原子置換了Cr2N中的Cr原子形成了(Cr,Al)N。

        圖1 CrAlSiN涂層的表面形貌(a)及厚度(b)Fig.1 Surface morphology(a)and thickness(b)of the CrAlSiN coating

        圖2 CrAlSiN涂層的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the CrAlSiN coating

        2.2 顯微硬度

        圖3為TC4鈦合金基體、滲氮層和CrAlSiN涂層的表面顯微硬度。TC4鈦合金基體表面顯微硬度約為325 HV0.025,經(jīng)等離子滲氮處理后,滲氮層硬度達到991 HV0.025,比基體硬度提高了2倍多。據(jù)相關(guān)研究表明,等離子滲氮處理后硬度提高的原因可能是,在高溫氛圍提高了氮原子的濃度和活性,使氮原子迅速擴散固溶在α-Ti中,在表層生成TiN或Ti2N硬質(zhì)陶瓷相,促進了顯微硬度的提高[10-13]。等離子滲氮后鈦合金基體硬度提高,形成一個過渡層,避免了大載荷下涂層與基體硬度的突變。在滲氮層上鍍CrAlSiN涂層的表面平均顯微硬度約為3222 HV0.025,比基體硬度提高了約10倍。CrAlSiN涂層相結(jié)構(gòu)主要是以CrN和AlN硬質(zhì)相為主,并且Si的加入細化了晶粒,由Hall-Petch公式可知,晶粒尺寸減小,晶界增多,阻礙了位錯的運動,從而引起硬度的提高[14-16]。

        圖3 TC4鈦合金基體、滲氮層和CrAlSiN涂層的表面硬度Fig.3 Surface hardness of the TC4 titanium alloy substrate,nitrided layer and CrAlSiN coating

        2.3 摩擦磨損性能

        圖4為TC4鈦合金基體、滲氮層和CrAlSiN涂層的摩擦因數(shù)。TC4鈦合金基體的平均摩擦因數(shù)為0.38,滲氮層的平均摩擦因數(shù)為0.28,CrAlSiN涂層的平均摩擦因數(shù)為0.22??梢钥闯?,CrAlSiN涂層比TC4鈦合金基體和滲氮層的平均摩擦因數(shù)都低,可能是因為CrAlSiN涂層硬度高,與對磨副對磨時,對磨副材料粘著到涂層上,起到了潤滑作用。

        圖4 TC4鈦合金基體、滲氮層和CrAlSiN涂層的摩擦因數(shù)Fig.4 Friction coefficient of the TC4 titanium alloy substrate,nitrided layer and CrAlSiN coating

        圖5和圖6分別為TC4鈦合金基體、滲氮層和CrAlSiN涂層的磨損形貌和磨痕輪廓。TC4鈦合金基體磨損非常嚴(yán)重(圖5(a)和圖6(a)),磨痕表面存在大量磨屑、片狀剝落層和犁溝,磨痕寬度達到約1.1 mm,磨痕最大深度約為27.2μm??赡苁窃谀Σ聊p過程中,對磨副SiC球硬度非常高,與TC4鈦合金基體表面形成硬-軟對磨,在接觸點產(chǎn)生了粘著和擠壓變形;在隨后的反復(fù)擠壓和粘著過程中,對磨副兩側(cè)部分磨屑形成了堆砌層,最后脫落形成片狀剝落層;對磨副正下方磨屑在摩擦過程中發(fā)生加工硬化,隨后又被壓入基體,在摩擦力的作用下犁耕出溝槽[16-18]。TC4鈦合金經(jīng)等離子滲氮處理后,磨痕內(nèi)存在大量的犁溝和小顆粒磨屑(圖5(b)和圖6(b)),磨痕寬度約為0.664 mm,磨痕最大深度約為0.9μm,比TC4鈦合金基體的磨痕寬度和深度明顯減小。由于滲氮層硬度較高,與對磨副形成硬-硬對摩,當(dāng)滲氮層破裂,形成許多硬質(zhì)磨屑,在對磨副擠壓下,在基體上形成了犁溝狀磨痕[19-20]。通過三維光學(xué)輪廓儀自帶軟件計算得到TC4鈦合金基體的磨損體積約為87.4μm3,等離子滲氮處理后的磨損體積約為1.2μm3,為TC4鈦合金基體磨損體積的1.4%。CrAlSiN涂層幾乎無磨損,磨痕邊緣不規(guī)整,磨痕最大寬度約為0.67 mm,磨痕的黑色區(qū)域主要是在摩擦過程中發(fā)生粘著磨損,對磨副材料粘著在CrAlSiN涂層表面,反而高度增加,如圖6(c)所示。

        圖5 TC4鈦合金基體(a)、滲氮層(b)和CrAlSiN涂層(c)的表面磨損形貌Fig.5 Surface wear morphologies of the TC4 titanium alloy substrate(a),nitrided layer(b)and CrAlSiN coating(c)

        圖6 TC4鈦合金基體(a)、滲氮層(b)和CrAlSiN涂層(c)的磨痕輪廓Fig.6 Wear profiles of the TC4 titanium alloy substrate(a),nitrided layer(b)and CrAlSiN coating(c)

        2.4 耐腐蝕性能

        由于TC4鈦合金擺臂長期使用環(huán)境是暴露在空氣和潮濕環(huán)境中,因此需要測試TC4鈦合金鍍CrAlSiN涂層的腐蝕性能。圖7為TC4鈦合金基體、等離子滲氮層和CrAlSiN涂層的極化曲線。表2為由Tafel外推法得到的腐蝕參數(shù),包括自腐蝕電位(Ecorr)、自腐蝕電流密度(icorr)。從圖7和表2中可看出,TC4鈦合金基體與滲氮層的自腐蝕電位非常接近,分別為-0.747、-0.730 V。CrAlSiN涂層的自腐蝕電位為-0.542 V,比基體高了0.205 V,表明沉積CrAlSiN涂層顯著提高了耐腐蝕性能。但是CrAlSiN涂層的自腐蝕電流卻比TC4鈦合金高,可能是因為涂層表面存在微孔,腐蝕溶液進入微孔發(fā)生了點蝕。涂層中含有Cr、CrN和AlN等相,能夠在發(fā)生腐蝕的瞬間在涂層表面生成了鈍化膜,進一步阻止腐蝕溶液進入微孔,提高涂層的耐腐蝕性能。

        圖7 TC4鈦合金基體、滲氮層和CrAlSiN涂層的極化曲線Fig.7 Polarization curves of the TC4 titanium alloy substrate,nitrided layer and CrAlSiN coating

        表2 TC4鈦合金基體、滲氮層和Cr AlSiN涂層的極化曲線參數(shù)Table 2 Polarization curve parameters of the TC4 titanium alloy substrate,nitrided layer and Cr AlSiN coating

        圖8為TC4鈦合金基體、滲氮層和CrAlSiN涂層的腐蝕形貌,可以看出,TC4鈦合金基體表面的黑色腐蝕坑最多,滲氮處理之后腐蝕坑明顯減小,而在滲氮層上沉積了CrAlSiN涂層無非常明顯的腐蝕坑,表明沉積后明顯提高了耐腐蝕性能。

        圖8 TC4鈦合金基體(a)、滲氮層(b)和CrAlSiN涂層(c)的電化學(xué)腐蝕形貌Fig.8 Electrochemical corrosion morphologies of the TC4 titanium alloy substrate(a),nitrided layer(b)and CrAlSiN coating(c)

        3 結(jié)論

        1)經(jīng)等離子滲氮處理后,TC4鈦合金表面平均硬度達到了991 HV0.025,在此基礎(chǔ)上采用多弧離子鍍技術(shù)制備CrAlSiN涂層的平均硬度高達3222 HV0.025。CrAlSiN涂層的厚度為707 nm,表面存在一些大顆粒和微孔,但是對涂層表面質(zhì)量影響不大;涂層中含有Cr、AlN、CrN和Cr2N等相,滲氮物的生成提高了涂層的硬度。

        2)TC4鈦合金基體的平均摩擦因數(shù)為0.38,磨痕寬度和深度分別為1.1 mm和27.2μm;滲氮層的平均摩擦因數(shù)為0.28,磨痕寬度和深度分別為0.664 mm和0.9μm;CrAlSiN涂層平均摩擦因數(shù)為0.22,CrAlSiN涂層幾乎無磨損,最大磨痕寬度為0.67 mm;表明等離子滲氮和沉積CrAlSiN涂層復(fù)合處理提高了TC4鈦合金的耐磨性能。

        3)TC4鈦合金基體和滲氮處理之后的自腐蝕電位分別為-0.747、-0.730 V,而沉積CrAlSiN涂層之后的自腐蝕電位為-0.542 V,自腐蝕電位發(fā)生了明顯正移,表明對TC4鈦合金通過滲氮處理和沉積CrAlSiN涂層可以顯著提高其耐腐蝕性能。

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