TC4表面滲Nb、C、N復合涂層的制備及其摩擦磨損性能研究

涂高陽 袁明 張冬冬 魯青

摘 要：采用雙陰極等離子濺射技術在TC4合金表面制備了鈮碳氮復合涂層，利用XRD和維氏顯微硬度計觀察其物相和表面微觀形貌，并對其摩擦磨損性能進行研究。結果表明：復合涂層由Nb2C，Nb2CN兩種物相組成，厚度約10um。涂層摩擦系數低于0.35，且比磨損率較TC4合金降低了兩個數量級，對載荷幾乎不具敏感性。

關鍵詞：復合涂層；金屬碳氮化物；磨損

中圖分類號：TG174.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0103-02

Abstract： Niobium carbonitride composite coatings were prepared on TC4 alloy by double cathode plasma sputtering technique. The phase and surface morphology of the coatings were observed by XRD and Vickers Indenter， and the friction and wear properties of the coatings were studied. The results show that the composite coating consists of two phases of Nb2C and Nb2CN， and the thickness of the coating is about 10 um. The friction coefficient of the coating is lower than 0.35， and the specific wear rate of the coating is two orders of magnitude lower than that of the TC4 alloy， and it is almost insensitive to the load.

Keywords： composite coating； metal carbonitride； wear

TC4鈦合金是一種α+β型兩相鈦合金，具有比強度高、耐腐蝕等優越性能，在航空航天、醫療、汽車等領域廣泛應用，但是硬度低、不耐磨損的缺點也很明顯。目前已經有眾多的表面改性技術用于提高TC4耐磨性，包括合金化、涂層及薄膜技術。大多數過渡族金屬碳化物具有韌性大，硬度高的優點，其中金屬鈮的氮化物、碳化物更為突出。國內外部分學者將涂層技術運用到金屬材料的表面處理上，提高材料的耐磨性能。例如Roberto Mirabal-Rojas采用等離子合金化技術在NbN涂層中添加Bi元素，結果表明當所制試樣中Bi的濃度在4.9和8.4at%之間時，硬度從NbN涂層的30GPa降低到13.9Gpa，摩擦系數從NbN涂層的0.8降到了0.3[1]。R.M. Oliveira等為了提高Nb的耐高溫和耐磨損性能，將氮離子注入Nb中，形成4.5μm的改性層，處理后的磨損率從1.5×10-2mm3N-1m-1降至2.6×10-6mm3N-1m-1，同時摩擦系數從0.8降低到了0.25，試樣硬度顯著增加[2]。這些研究表明金屬鈮的氮化物具有很好的耐磨損性能。

因此，本文采用雙陰極濺射沉積技術在TC4表面制備鈮碳氮復合涂層，以降低鈦合金的摩擦系數，提高TC4合金的耐磨性能。

1 試驗材料及方法

1.1 涂層制備

基體材料采用TC4鈦合金，尺寸規格為φ35mm×3mm。源極采用鈮碳混合靶材，尺寸規格為φ100×10mm。采用高純氬氣作為工作載氣，高純氮氣作為反應氣體，借助雙陰極等離子濺射沉積爐進行涂層制備。具體工藝參數：源極電壓950V，工件電壓450V，氣壓35Pa，極間距（基體和靶材之間的距離）12mm；Ar/N2流量比為40：1，保溫時間3h。

1.2 磨損形貌和性能分析

采用德國Bruker公司生產的D8ADVANCE型X射線衍射儀對涂層的物相進行分析鑒定。采用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機測試涂層和基體的耐磨損性能。采用MicroXAMTM非接觸式表面三維形貌儀觀察并測量涂層磨痕的三維形貌和磨損體積，并計算出比磨損率[3]。

2 實驗結果及分析

2.1 復合涂層的表征

圖1為所制備的復合涂層的X射線衍射圖譜。該圖譜主要由Nb2C，Nb2CN，Ti三種衍射峰構成，其中Nb2C衍射峰信號最強。圖中可以看出Nb2C，Nb2CN衍射峰有明顯寬化現象，這可能是因為所制備涂層晶粒比較細小。

所制備復合涂層在維氏顯微硬度計下觀察，涂層表面較為光滑致密，取五個不同區域進行硬度檢測，得出平均維氏硬度為1134HV，遠高于TC4基體的表面硬度。采用HNO3，H2SO4，H2O按照2：5：43的比例配置的腐蝕液對截面試樣進行腐蝕，觀察結果如圖2所示。左邊氧化部分為TC4合金，涂層厚度約為10um，經腐蝕液腐蝕后截面無明顯變化，說明耐酸腐蝕性能強于TC4合金。

2.2 NbCN涂層的耐磨性能

圖3（a）和（b）分別為TC4基體和復合涂層在2，3，4，5N的載荷下摩擦系數隨時間變化的曲線圖。從圖3（a）可以看出TC4合金的摩擦系數在磨損初期隨著滑動時間穩定增加，隨后進入平穩階段。四條摩擦系數曲線進入平穩階段的時間大體相同，但隨著施加的法向載荷的增大，摩擦系數也隨之增加。這可能是由兩者磨損表面的實際接觸面積的增加，磨損碎屑的產生以及來自干摩擦條件下的摩擦熱效應產生的表面軟化造成的。比較圖3（a）和（b）可知，涂覆有鈮碳氮涂層的試樣摩擦系數均低于0.35，遠低于TC4合金。其原因可能是復合涂層的硬度較高，導致磨損的實際接觸面積減少，產生的磨屑減少。

圖4為TC4合金和復合涂層的比磨損率。在室溫下分別施加2，3，4，5N的法向載荷，與Si3N4相對滑動100m后，可以看到TC4合金的比磨損率與施加的載荷成線性遞增的關系，從3.15x10-4mm3N-1m-1增加到6.22x10-4mm3N-1m-1。與之對比，隨著施加法向載荷的增加，涂覆鈮碳氮涂層的試樣的比磨損率增加并不明顯，從5.10x10-4mm3N-1m-1增加到5.75x10-4mm3N-1m-1，比TC4合金降級了兩個數量級。說明涂覆有復合涂層的試樣的耐磨損性能遠高于TC4基體。

3 結束語

（1）在TC4表面采用雙陰極濺射沉積技術成功制備出鈮碳氮復合涂層，涂層為Nb2CN，Nb2C混合構成，厚度約10um，表面致密均勻，無褶皺破損情況，滲有涂層的試樣硬度遠高于TC4合金。

（2）TC4基體表面涂覆鈮碳氮涂層后，摩擦系數降到了0.35以下，最低降到了0.22，磨損體積從10-4mm3N-1m-1降低到10-6mm3N-1m-1數量級，施加載荷的影響減小，耐磨性得到極大增強。

參考文獻：

[1]Mirabal-Rojas R， Depablos-Rivera O， Gómez C L， et al. Reduction of the coefficient of friction of niobium nitride coatings by the addition of bismuth[J]. Vacuum， 2016，125（4）：146-153.

[2]Oliveira R M， Oliveira A C， Carreri F C， et al. Detailed surface analyses and improved mechanical and tribological properties of niobium treated by high temperature nitrogen plasma based ion implantation[J].Applied Surface Science， 2013，283（14）：382-388.

[3]金杰，李歡，李曉涵.鎂合金微弧氧化涂層高溫磨擦磨損性能[J].稀有金屬材料與工程，2017，46（5）：1202-1206.