PVD表面處理對鈦合金基體疲勞性能影響的研究進展

丁郁航，馬天洋，楊雪健，謝 夢＊，王 迪

（1.西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710299；2.西安理工大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710048）

鈦合金因其優(yōu)良的綜合性能而被廣泛應用于航空航天等領域[1，2]。然而鈦合金表面硬度低、摩擦磨損性能較差，尤其是當鈦合金與其他材料發(fā)生接觸時，就極易造成微動或粘著磨損，與硬質(zhì)材料碰撞后，易使鈦合金零件形貌或尺寸發(fā)生改變，并且產(chǎn)生接觸腐蝕，從而嚴重限制了鈦合金在各領域的應用[3]。

鈦合金表面改性對其疲勞性能的影響顯得尤為關鍵。因此本文綜述了PVD涂層對鈦合金基體疲勞性能的影響。因此，本文章從多層涂層抗裂紋擴展、斷裂機理了解PVD涂層對鈦合金疲勞行為的影響。

1 多層涂層抗裂紋擴展、斷裂機理

在軟/硬多層涂層結(jié)構的研究中，其軟層擁有充分的延展性，如Cr/CrN多層涂層中的Cr，顯著改變了裂紋擴展的條件。然而，只有在理解涂層結(jié)構與機械加載過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象之間的關系以及涂層微觀結(jié)構與性能之間的關系后，才能更系統(tǒng)地設計并制備出所需性能的多層結(jié)構涂層。

P.Wieciński等[4]做了許多針對多層涂層調(diào)制結(jié)構方面的工作，其中研究了納米結(jié)構Cr/CrN多層涂層在鈦合金基體上壓痕過程中的組織演變。利用PVD真空電弧法在Ti-6Al-4V合金表面沉積了五種多層（Cr/CrN）×8涂層。涂層具有相同的總厚度和構成層數(shù)，但Cr和CrN構成層的厚度比（QCr/CrN參數(shù)）不同。使用Berkovich壓頭在1N的載荷下進行壓痕測量。研究表明，應用的多層結(jié)構涂層顯著提高了鈦合金的硬度，涂層的硬度取決于Cr和CrN構成層的厚度比，在10至35GPa的范圍內(nèi)變化。

圖1 多層涂層壓痕區(qū)圖像（QCr/CrN=0.81;負載=1N）

為了深入探究裂紋擴展的變形機理，觀察壓痕區(qū)域的圖像，如圖1為QCr/CrN=0.81的多層涂層在1 N壓頭載荷下的圖像。（圖1b）中可觀察到經(jīng)切割后的壓頭表面，尖端和邊緣下面的區(qū)域。基于這些觀察結(jié)果，可以得出結(jié)論：由壓頭引起的大部分塑性變形通過涂層轉(zhuǎn)移到基底材料上（圖1c）。盡管涂層經(jīng)歷了永久變形，但是在觀察到的壓痕區(qū)域中發(fā)現(xiàn)涂層與基底之間或者在Cr與CrN層之間沒有橫向裂紋和分層。這歸因于界面的影響以及韌性Cr層存在的作用，其更多的容納了塑性變形并且和硬脆性的CrN層之間結(jié)合牢固。然而在微觀結(jié)構中觀察到徑向裂紋（圖1c），這些小裂縫并未穿透涂層的整個厚度，它們發(fā)生在單一層的厚度范圍內(nèi)，主要位置包括：①壓頭尖端，靠近基底和涂層之間的界面；②壓頭的表面，位于尖端和壓痕末端之間的中間部位；③壓痕末端的壓頭邊緣位置。同時發(fā)現(xiàn)壓頭邊緣下的裂紋的數(shù)量和尺寸小于尖端和表面下的裂紋數(shù)量和尺寸。這表明壓頭引起的應力集中在這些區(qū)域較高。從（圖1d）中可以發(fā)現(xiàn)，徑向裂紋僅在CrN層中可觀察到，而韌性Cr層沒有。說明裂紋在CrN和Cr層之間的界面處被阻斷。

根據(jù)Hall-Petch效應[5]，由于在不同層之間的界面阻擋了位錯運動，所以對于較小的雙層厚度通常擁有更好的性能。因此，可以通過減小各層的厚度以提高機械性能。Yonekura等在這方面做了大量工作，他們先在兩種不同的偏壓下通過電弧離子鍍法在TC4鈦合金基底上進行CrN單層的沉積。其中通過在低偏壓下沉積獲得的涂層疲勞強度有所增加，而在高偏壓條件下沉積的涂層疲勞強度明顯下降。可以預期，通過使用具有延性間隙層的多層結(jié)構涂層在低偏壓條件下沉積能夠改善鈦合金疲勞性能。Yonekura等還針對多層結(jié)構中Cr層和CrN層的厚度進行了研究，發(fā)現(xiàn)具有足夠厚度的Cr層在3～5層涂層結(jié)構下能夠增強疲勞抗性。然而，在雙層涂層的情況下，由于Cr/CrN僅有一個界面，在厚的CrN層中開始的裂縫很長，即使Cr層比3～5層涂層中Cr的總厚更厚，也會有部分裂紋滲入Cr層。從而可以預測，增加多層Cr/CrN的界面數(shù)量和減薄CrN層厚度都可以提高多層涂層的疲勞抗性。

2 復合涂層對基體疲勞性能的影響

結(jié)合文獻發(fā)現(xiàn)，在疲勞試驗中，除PVD涂層中的裂紋萌生和擴展外，鈦合金基體近表面處也常常誘發(fā)裂紋的萌生。因此強化鈦合金近表面是改善其疲勞抗性的有效手段。利用相關鈦合金原位表面改性手段復合PVD涂層，獲得復合涂層從而提高涂層-基體的抗疲勞性是理論可行的手段。

復合涂層是指PVD涂層（單層或多層）與其它表面改性技術（如噴丸/噴砂預處理、滲鍍層、微弧氧化/陽極氧化等）的復合表面改性涂層, 形成一種帶過渡層的雙層或多層復合涂層。復合涂層是由強化層、結(jié)合層和耐磨層3個分層組成。其中強化層提高材料表面強度，形成耐磨層與基體間的硬度梯度中間層，對耐磨層起支撐作用；耐磨層通常由致密的硬質(zhì)涂層構成，提高耐磨性；結(jié)合層為強化層與耐磨層之間的過渡層, 提高兩層間的結(jié)合力。

Mǖnz等對比了未滲氮與滲氮基體在鍍膜后的疲勞斷裂過程，提出了涂層的疲勞失效機制。涂層在受力過程中，裂紋萌生發(fā)生在基體的近表面區(qū)域，隨著循環(huán)載荷的持續(xù)施加，裂紋不斷擴展并進入涂層,最終導致涂層的破裂。與未滲氮的軟基體相比，在相同循環(huán)載荷條件下,滲氮處理后的樣品裂紋源難以在基體的近表面區(qū)域生成，產(chǎn)生裂紋的傾向相對降低，從而提高了涂層-基體抗疲勞性能。

Oka等人研究了在基體等離子體氮化后利用離子鍍技術沉積了CrN陶瓷涂層，并對CrN涂層的疲勞試驗分別在室溫和723K下進行實驗。結(jié)果表明，采用復合涂層處理可以明顯提高基體的抗疲勞性能。

關于復合涂層對鈦合金基體疲勞性能影響的研究較少，但依據(jù)現(xiàn)有研究和理論基礎，可以大膽推測該方法具有一定的可行性。總之，涂層基本參數(shù)，包括：膜基結(jié)合力、表面質(zhì)量、殘余應力、界面狀態(tài)、塑性變形抗力（H3/E2）對基體疲勞性能均具有重大影響。因此從選擇適當?shù)牟牧稀⑼繉又苽鋮?shù)、涂層結(jié)構設計以及復合表面處理技術的應用等多方面入手，綜合以上性能選擇出對鈦合金基體疲勞性能影響最小甚至有益的涂層對未來鈦合金表面改性具有重要參考意義。

3 總結(jié)與展望

針對鈦合金存在的耐磨性差、易氧化腐蝕及表面硬度低等缺陷，利用PVD技術，選擇適當?shù)耐繉硬牧霞敖Y(jié)構可使這些性能得以改善。但由于鈦合金疲勞敏感性極強，在表面沉積涂層后往往對疲勞性能造成一定的影響。因此本文針對PVD涂層對鈦合金基體疲勞性能的影響進行綜述，歸納如下：

（1）表面平整缺陷少且為殘余壓應力的涂層對鈦合金基體疲勞性能負面作用小；具有韌性相材料的PVD硬質(zhì)涂層更耐疲勞；涂層的硬彈比（H/E）和塑性變形抵抗力（H3/E2）對抗裂紋萌生起到關鍵作用，對鈦合金基體疲勞性能產(chǎn)生正相關影響。

（2）軟硬交替的多層結(jié)構涂層可抗裂紋萌生、擴展和斷裂，對提高鈦合金基體疲勞抗性有一定的作用，是鈦合金表面PVD涂層的研究發(fā)展方向。

因此，如何選擇合適的涂層制備方法及恰當?shù)耐繉硬牧稀⒔Y(jié)構，使涂層對鈦合金疲勞性能的負面影響得以改善，這是目前鈦合金表面改性急需解決的主要問題之一。