TC4鈦合金表面磁控濺射TiAlN涂層的組織與性能

潘曉龍，劉嘯鋒，王少鵬

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

0 引言

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性能優異、中溫性能穩定等優點，在航空工業具有廣闊的應用前景［1－2］。但鈦合金的摩擦系數大，在某些特定用途中因耐磨性不足，容易在結構配合部位產生磨損失效［3－4］。為擴大鈦合金的應用，延長鈦合金構件的使用壽命，必須對鈦合金進行表面改性處理。

TiAlN膜層是在TiN膜層基礎上發展起來的，由于鋁的引入使該膜層具有比TiN更好的熱穩定性能和抗高溫氧化性能，同時具有很高的硬度和耐磨損性能，是一種理想的適合高溫環境的超硬耐磨材料［5－7］。本研究采用TiAl合金靶材，通過磁控濺射方法在TC4鈦合金基材上沉積了TiAlN涂層，以提高TC4鈦合金的表面性能。

1 實驗

實驗材料為2 mm厚的TC4鈦合金板，將其線切割成25 mm×20 mm×2 mm的片狀試樣。先對試樣進行鏡面拋光，再用金屬清洗液清洗，丙酮超聲清洗，最后用酒精進行脫水處理。濺射靶材為Ti、Al原子比1∶1的TiAl合金靶。涂層沉積設備為自行研制的SP－0810AS型多功能真空離子鍍膜機。該真空離子鍍膜機配置有圓形電弧靶、射頻磁控靶，并具有同時蒸發多個靶材的功能，試樣架可實現公轉、自轉。TiAlN涂層的制備工藝為:將試樣裝入鍍膜機，待真空室抽至極限真空度，將真空室加熱至200℃，然后通入氬氣使分壓至1～3 Pa，加負偏壓－800～－1200 V，占空比為60%，進行氬離子轟擊清洗約10 min;開啟TiAl靶，電流0.2～0.4 A，氬氣分壓調至(1～3)×10－1Pa，沉積TiAl過渡層約10 min，制備一層約100 nm的TiAl過渡層以改善膜基附著力，然后調節氬氣分壓至(1～3)×10－1Pa，負偏壓調至－100～－300 V，通入氮氣分壓至(5～8)×10－2Pa，沉積時間約150 min。通過調節TiAl靶電流、氮分壓等改變磁控濺射的工藝參數，共進行了3組工藝試驗。

利用JSM－6460型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同工藝制備TiAlN涂層的表面形貌。利用Oxford X-sight能譜儀(EDS)分析不同工藝制備的TiAlN涂層的表面成分。利用X射線衍射儀(XRD)分析不同工藝制備的TiAlN涂層的相結構。

圖1 3種工藝制備的TiAlN涂層表面SEM照片Fig.1 SEM micrographs of TiAlN coating produced by three processes

利用BD－2型球盤磨損試驗機對不同工藝制備的TiAlN涂層和TC4鈦合金基材進行耐磨損性能測試。測試條件:摩擦配副為φ5 mm的剛玉球，壓力101.3 kPa，施加載荷5 N，轉速110 r/min，磨痕軌跡直徑20 mm。在室溫條件下，經球盤磨損30 min后，分別測試TiAlN涂層及TC4鈦合金基材的磨損失重。

利用SY/Q－750型鹽霧腐蝕標準試驗箱對不同工藝制備的TiAlN涂層和TC4鈦合金基材進行了耐腐蝕性能測試，測試條件:試驗溶液為中性5%NaCl水溶液，壓力101.3 kPa，溫度35℃，48 h鹽霧腐蝕后對TiAlN涂層和TC4鈦合金基材進行耐腐蝕性能分析。

2 結果及分析

2.1 TiAlN涂層的組織形貌

圖1為3種磁控濺射工藝在TC4鈦合金表面沉積的TiAlN涂層表面的SEM照片。從圖1可以看出，3種磁控濺射工藝沉積的涂層結構致密，表面均相對平整，大顆粒較少，表面可觀察到溝槽。這是由于磁控濺射沉積的TiAlN涂層厚度較薄，沉積后完全復制了TC4鈦合金基材表面因砂紙打磨所形成的溝槽。

將3種磁控濺射工藝沉積的試樣在掃描電鏡下放大100倍，選取整個視場進行EDS能譜成分分析，其結果見表1。從分析結果可以看出，工藝1沉積的涂層中N、Al、Ti元素的原子分數依次為45.45%、27.9%和27.46%。涂層中氮元素的原子分數低于50%，而Al+Ti的原子分數為54.55%，這說明涂層中有部分Ti和Al可能未反應生成TiAlN，而以TiAl合金或純Ti和純Al的形式存在，這將影響涂層的硬度，從而影響耐磨性。而工藝2和工藝3沉積的涂層中N的原子分數接近50%，說明這兩種工藝沉積的涂層氮化反應較前者完全。工藝2沉積的涂層中N的原子分數為48.42%，Al的原子分數為22.82%，Ti的原子分數為28.76%，高于Al的含量。工藝3沉積的涂層中N的原子分數為48.75%，Al的原子分數為25.86%，Ti的原子分數為25.39%，即Ti與Al的原子比接近1∶1，且Ti+Al和N原子比接近 1∶1。

表1 3種工藝制備的TiAlN涂層成分(%)Table 1 EDS of TiAlN coating produced by three processes

2.2 TiAlN涂層物相分析

圖2為3種磁控濺射工藝沉積的TiAlN涂層的X射線衍射圖譜?？梢钥闯觯?種工藝沉積的TiAlN涂層的相結構相差不大，衍射譜主要由Ti元素的衍射峰和TiAlN的衍射峰組成。圖中Ti衍射峰強度較高主要是由于沉積的TiAlN涂層較薄，僅3～5 μm，X射線較易透過涂層達到基體所致。

圖2 3種磁控濺射工藝沉積的TiAlN涂層XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of TiAlN coating produced by three magnetron sputtering technics

2.3 TiAlN涂層耐磨損性能

圖3為3種磁控濺射工藝制備的TiAlN涂層試樣及TC4鈦合金試樣磨損失重的對比。從圖3可以看出，3個TiAlN涂層試樣的磨損失重比TC4鈦合金基材的磨損失重低約80%。其中，工藝3制備的TiAlN涂層試樣的耐磨損性能較工藝1和工藝2更好，這說明工藝3反應更為充分，涂層中幾乎全部由TiAlN陶瓷相組成，很少有 TiAl、Ti、Al等金屬相。

圖3 TiAlN涂層試樣及TC4鈦合金基材試樣磨損失重對比Fig.3 Weight loss after wear of TC4 substrate and TiAlN coating

2.4 TiAlN涂層耐腐蝕性能

圖4為3種磁控濺射工藝制備的TiAlN涂層試樣和TC4鈦合金基材試樣經48 h鹽霧腐蝕后的失重柱狀圖。從圖4可以看出，TC4鈦合金基材試樣和3種工藝制備的TiAlN涂層試樣經中性鹽霧腐蝕48 h后，其腐蝕失重均很小;整體來看，3種工藝制備的TiAlN涂層的耐腐蝕性能都很好，但工藝3制備的TiAlN涂層的耐鹽霧腐蝕性能較工藝1和工藝2表現得更好。這是由于工藝3反應充分，涂層中幾乎全部由TiAlN陶瓷相組成，很少有TiAl、Ti、Al等金屬相。在鹽霧環境下，如果TiAlN陶瓷相與TiAl、Ti、Al等金屬相同時存在，則可能發生電化學腐蝕，加速涂層腐蝕失重。

圖4 TC4鈦合金基材試樣及TiAlN涂層試樣鹽霧腐蝕48 h后的失重柱狀圖Fig.4 Weight loss after corrosion of TC4 substrate and TiAlN coating

依據國標GB/T 6461—2002《金屬基材上金屬和其他無機覆蓋層經腐蝕試驗后的試樣和試件的評級》對腐蝕后的TiAlN涂層進行評級，評級結果達到了保護級9級。

3 結論

(1)采用 TiAl合金靶通過磁控濺射制備的TiA1N涂層表面相對平整，結構致密。

(2)TiAlN涂層有著較高的耐磨損性能，與TC4鈦合金基材相比，磨損失重低約80%，其抗鹽霧腐蝕性能達到國標GB/T 6461—2002保護級9級。

(3)通過對比分析3種沉積工藝制備的TiAlN涂層的耐磨損性能和耐腐蝕性能發現，TiAlN涂層中Ti與Al的原子比接近在1∶1，且Ti+Al和N原子比接近1∶1時，其綜合性能最好。

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