TC4 鈦合金表面TiAlN/Ti 涂層的抗沖蝕性能研究

李玉琴，文建中，孫志平

（1.空軍工程大學 等離子體動力學國家級重點實驗室，西安710038；2.長安大學 材料科學與工程學院，西安 710064）

TC4 鈦合金是一種典型的α+β 相鈦合金，因具有較高的比強度和比剛度、較強的韌性以及優異的抗腐蝕性能等特點，被廣泛應用于航空發動機葉盤、葉片[1]。由于TC4 鈦合金的硬度較低，抗沖蝕磨損性能較差，因此TC4 鈦合金葉片在工作中面臨突出的沖蝕損傷問題[2]。圖1 為飛機在沙漠執行任務時的情況，微米級的細小砂粒隨著氣流吸入航空發動機內，與壓氣機葉片高速沖擊、碰摩，從而引起發動機葉片的沖蝕損傷[3]。另據2007 年美軍針對“沙漠風暴”行動的一份研究報告[4]指出，CH-46E 直升機上裝配的T58 渦軸發動機葉片，初始設計壽命為3000 h，而在沙漠環境下的實際服役壽命僅為100 h。

圖1 發動機葉片在砂塵環境下的損傷Fig.1 Damage of engine blade under sand and dust environment:a) the plane performs a mission in the desert, b) blade erosion damage

研究發現，砂粒的沖蝕作用機理非常復雜，是砂粒對葉片沖擊和磨損的耦合作用產生的，砂粒的沖蝕速度、角度以及質量等均影響著材料的沖蝕損傷程度[5]。通過涂層保護是提高材料抗沖蝕性能的重要手段。早期，國內外的研究主要集中在ZrN、TiN 等陶瓷涂層[6-7]，但是由于ZrN、TiN 等陶瓷涂層的脆性比較大、斷裂韌性低，因此其在服役環境下受到砂粒沖擊而極易出現裂紋。隨著對沖蝕損傷機理的深入研究，發現同時具備良好韌性和較高硬度的涂層才是提升材料抗沖蝕性能的關鍵。采用多個靶材沉積或者直接采用合金靶材，可以制備出含有不同元素的涂層（如TiAlN等），其抗沖蝕性能比雙元素陶瓷材料涂層能夠得到大幅提高[8-9]。在TiN 涂層中加入Al 元素后，形成的TiAlN[10-12]涂層是最常用的多元素涂層，許多學者對此展開了研究。Laguna Camacho 等[13]在4140 不銹鋼和6061 鋁合金基體上分別制備了CrN、TiAlN 涂層，不同沖蝕角度下的試驗結果顯示，TiAlN 涂層在30°時沖蝕率最高，表現出延性材料的沖蝕特性，而CrN涂層在90°時沖蝕率最高，表現出脆性材料的沖蝕行為，TiAlN 涂層的沖蝕性能明顯優于CrN 涂層。劉海波等[14]研究不同厚度TiN 涂層和TiAlN 涂層的結合力大小，發現在不同組、相同厚度的情況下，TiAlN涂層的結合力都優于TiN 涂層。

TiAlN 涂層具有熱硬性好、耐磨性極好、氧化溫度高等優點，適合高速干式切削，是目前應用范圍最廣的工磨具硬質涂層之一[15]。Kadirgama 等[16]研究發現TiAlN 涂層硬質刀具具備優越的熱硬性和抗高溫氧化性，可以在切削鎳基高溫合金過程中抑制工件材料粘結到刀-工和刀-屑界面，具有優異的切削性。Okada 等[17]研究表明TiAlN 涂層刀具在銑削淬硬鋼時，其干式切削性能顯著優于TiN 涂層。但國內尚未將TiAlN 涂層應用到葉片上以解決其沖蝕損傷問題，主要原因是缺乏涂層結構設計、涂層制備工藝及抗沖蝕性能考核，對涂層在砂塵環境下的沖蝕損傷機理研究較少，嚴重制約了抗沖蝕涂層在葉片中的應用。H3/E2值可以用來表示材料抵抗塑性變形的能力，通常認為其值越高，抗沖蝕性能越高。曹鑫等[18]通過不同角度對TC4 鈦合金表面DLC、TiN 涂層進行沖蝕試驗，發現高角度時，H3/E2值越高，涂層的沖蝕磨損率越高；低角度時，H3/E2值越高，涂層的抗沖蝕性能越好。

對于TiAlN 涂層的制備方法，許多學者也對此展開了研究，主要是磁控濺射技術、多弧離子鍍等。Yang等[19]采用磁控濺射技術成功制備出TiAlN 涂層，結果表明其抗沖蝕性能優于TiN 涂層，這是由于TiAlN 涂層不僅具有較高的硬度，其韌性同樣明顯增加。吳鳳芳等[20-21]采用陰極弧離子鍍技術制備了TiN、CrN 和CrAlN 涂層，沖蝕試驗表明TiAlN 涂層的抗沖蝕性能明顯高于其他氮化物涂層（TiN、CrN 和CrAlN），并發現涂層材料抵抗塑性變形的能力（即H3/E2）對其抗沖蝕性能有很大的影響，H3/E2值越高，抗沖蝕性能越好。但是制備后的涂層中會存在不帶電的中性顆粒、液滴及大顆粒，以至于涂層質量不高。磁過濾真空陰極弧（FCVA）是在多弧離子鍍的離子源引出端加裝一個磁過濾彎道通道，在沿軸線分布磁場作用下，把需要的等離子體沿著彎管的磁場引入真空靶室中，不帶電的中性顆粒、液滴及大顆粒會碰撞到管壁上而被過濾掉，這樣可以獲得膜層致密，純度極高的涂層[22]。為了提高涂層與基體的結合力，常采用金屬蒸汽真空弧（MEVVA）離子源注入技術先對基體材料進行改性，使基體與涂層性能相似，然后再進行涂層沉積[23-24]。

本文采用FCVA 沉積與MEVVA 離子源注入技術在TC4 鈦合金基體表面制備了不同層數的TiAlN/Ti涂層，利用沖蝕實驗系統對TC4 鈦合金和TiAlN/Ti涂層進行了沖蝕試驗，研究涂層層數對其損傷的影響規律，探討了涂層的沖蝕損傷機理。

1 材料與方法

1.1 涂層的制備

基體為TC4 鈦合金，尺寸為50 mm×20 mm×4 mm。為了得到有等軸α 相和β 相的雙態組織，選擇固溶時效熱處理的工藝為925 ℃下保溫1 h+空冷+520 ℃下保溫4 h+空冷。利用KH-8700 光學顯微鏡（OM,Optical Microscope）觀察所得到的微觀組織如圖2 所示，該組織為初生α 相和β 相的雙態組織，初生α 相均勻分布在片狀β 晶粒的晶界處，β 相呈不同位向的編織狀。

圖2 TC4 鈦合金微觀雙態組織結構Fig.2 Microstructure of TC4 titanium alloy

基體試件先后經過粗磨、細磨、拋光，粗糙度達到Ra=(0.2±0.05) μm 時，再利用超聲波清洗機分別進行無水乙醇、丙酮清洗，再用去離子水、無水乙醇清洗，然后用氮氣吹干，在沉積夾具上裝夾完畢后，在真空室中，開始制備涂層。采用磁過濾真空陰極弧（FCVA）與金屬蒸汽真空弧（MEVVA）技術在TC4鈦合金表面制備不同層數的TiAlN/Ti 涂層。制備過程中，N2流量為22 mL/min，使用純度為99.99%的鈦鋁合金靶材，其中鈦與鋁的原子比為5:5，真空室氣壓為4×10–5Pa，磁過濾偏轉角為180°。涂層厚度TT約為10 μm，結構參數如表1 所示，調制比R為9:1，層數N分別為4、8、12 層，其中試樣編號T1、T2、T3分別對應涂層層數為4、8、12 的試樣，對照樣品TC4 基體的編號為T0。首先進行沉積第1 層Ti過渡層，再周期性地通入或關閉N2，進行Ti 層與TiAlN 層的交替制備，一個周期內TiAlN 層厚度為TH，Ti 層厚度為TI，總厚度為λ。Ti 層的沉積速率約為0.071 μm/min，TiAlN 層的沉積速率約為0.083 μm/min。根據TiAlN 涂層的不同結構參數，相應地調整Ti 層與TiAlN 層的沉積時間。

1.2 表征與分析

1.2.1 表面形貌表征

利用KH-8700 光學顯微鏡、VEGA TESCAN 掃描電鏡，對TC4 鈦合金和涂層試件表面及截面形貌進行觀察。同時，光學顯微鏡具有三維成像功能，可對試件的粗糙度進行直接測量，隨機選取試件的5 個位置，取其平均值，獲得涂層的粗糙度。

1.2.2 力學性能測試

采用Nano Indenter G200型納米壓痕儀測量TiAlN/Ti 涂層的彈性模量和納米硬度，壓頭為Berkovich 型金剛石壓頭，為了降低基體對涂層的影響，壓入深度不大于涂層厚度的10%，所以選定壓入深度1 μm，在表面隨機選取5 個位置進行測量，取其平均值。采用WS-2500 涂層附著力自動劃痕儀測量TiAlN/Ti 涂層與基體間的結合力，其測量范圍為0.5～150 μm。測試加載載荷為100 N，速率為100 N/min，劃痕長度為10 mm。采用劃痕法測定基體與涂層間的結合力，當劃針在涂層表面劃過時，逐漸增大壓力，利用聲發射信號監測，當信號發生突變時，表示涂層發生開裂，此時的最小壓力即為結合力。采用Proto 型X 射線應力分析儀測量涂層表面殘余應力[25]，為避免涂層結構對殘余應力的影響，選擇TiAlN/Ti 涂層（222）晶面（2θ0=33.67°）進行研究。

1.3 抗砂塵沖蝕性能測試

砂塵沖蝕試驗系統主要由供氣系統、供砂系統、試驗艙和控制系統4 部分組成。其中，供氣系統為砂粒提供不同壓力的空氣，由空氣壓縮機輸送；供砂系統采用螺桿裝置，通過調節轉速控制砂塵的流量；試驗艙用于放置試件，砂粒經供氣系統提供的壓縮空氣加速后由噴嘴噴出，入射到試件表面；控制系統用于控制砂塵的入射角度和速度。

先將涂層試件以一定角度安裝在試驗艙內的夾具上，砂粒經由供氣系統提供的壓縮空氣加速后，由噴嘴噴出，對試件表面進行一定時間的沖蝕。其中，砂粒取自塔克拉瑪干沙漠，主要成分為SiO2。為了模擬5 級軍用直升機砂塵環境濃度范圍以及某型航空發動機進口條件，確立砂粒的平均速度為130 m/s，供給速率為2 g/min，砂塵沖蝕角度為45°，沖蝕時間為8 min。噴嘴直徑為8 mm，距試件15 mm。沖蝕過程中每間隔一定時間將試件取出，利用精度為0.1 mg的電子分析天平測量試件剩余質量，記錄試件的質量損失。為了提高試驗的可靠性，每組試驗重復進行3 次。

2 結果與討論

2.1 表面形貌與微觀結構

圖3 為TiAlN/Ti 涂層的表面宏觀形貌。可以看出，涂層表面均勻，致密性較好。圖4 為電鏡觀察的TiAlN/Ti 涂層的截面微觀形貌。可以看出，涂層中無明顯的孔洞，雖然FCVA 有很好的過濾作用，但是其并不能完全過濾掉從陰極電弧靶上濺射出來的未完全電離的鈦液滴，所以基體表面會存在少量的類球形顆粒。由截面形貌可以看出，涂層與基體、結合層與硬質層間的界面清晰，組織致密連續，涂層中無裂紋與微孔等缺陷。粗糙度測試結果如表2 所示，可以看出涂層試件的粗糙度相對基體試件更低，是磁過濾真空陰極弧技術降低了涂層的粗糙度。

圖3 不同結構涂層的宏觀表面形貌Fig.3 Surface topography of different structure coatings

圖4 8 層結構涂層的截面微觀形貌Fig.4 Sectional microstructure of 8 layers coatings

表2 基體及涂層試件的粗糙度測試結果Tab.2 Roughness test results of the matrix and coatings μm

2.2 力學性能

材料的抗沖蝕性能不僅與其納米硬度H密切相關，還受彈性模量E的影響。H3/E2值可以用來表示材料抵抗塑性變形的能力，通常認為其值越高，抗沖蝕性能也越高。利用納米壓痕儀測定涂層試件的彈性模量和納米硬度，結果如表3 所示，可見TiAlN/Ti涂層較基體的硬度和彈性模量均有顯著提高，硬度提高了7.4～8.8 倍，彈性模量提高了1.9～2.7 倍，H3/E2值提高了96～112 倍。

表3 基體及涂層的納米硬度、彈性模量測試結果Tab.3 Test results of nano hardness and elastic modulus for the substrate alloy and coatings

圖5 為TiAlN/Ti 涂層試件的結合力測試結果，結合力為25～45 N，且層數越少，結合力越大。可見當涂層層數較少（≤8 層）時，MEVVA 離子源注入技術能顯著改善基體性能，大大提高了涂層與基體間的結合力。但當涂層層數增多時，結合力明顯下降。這是因為涂層之間的殘余應力會累積在涂層與基體的結合處，當涂層層數增多時，積聚的殘余應力增大，使得結合力下降。

圖5 基體與涂層間的結合力測試結果Fig.5 Test results of adhesion between substrate and coatings

2.3 抗砂塵沖蝕性能

試件的抗沖蝕性能通過試件在8 min 內的總質量損失和沖蝕率來評價，沖蝕速率為130 m/s，沖蝕角度為45°。表4 為TC4 鈦合金與不同層數TiAlN/Ti涂層試件沖蝕后的質量損失及沖蝕率結果。其中沖蝕率γ利用試件單位時間內質量的損失率來表征，公式為：

式中：Δm為試件的質量損失，mg；t為沖蝕時間，min。從表4 可以發現，TC4 鈦合金試件的質量損失為18.3 mg，層數為4、8、12 層的TiAlN/Ti 涂層試件的質量損失分別為2.4、1.6、1.1 mg，相對于基體試件分別降低了86.9%、91.3%、94.0%，且當涂層層數為12 層時，沖蝕率達到最小值，表明TiAlN/Ti涂層顯著提高了TC4 鈦合金的抗沖蝕性能，且層數越多，抗沖蝕性能越強。這是由于層數越多的TiAlN/Ti 涂層，其H3/E2值越大，塑性就越強，抗沖蝕性能就越優良。

表4 不同結構涂層沖蝕的沖蝕率Tab.4 The erosion rate of different structure coatings

2.4 沖蝕前后的殘余應力

利用X 射線衍射儀測試不同結構涂層沖蝕前后表面殘余應力分布，如圖6 所示。分析可知，基體與涂層試件表面的殘余應力均為拉應力，基體試件的殘余拉應力值為30 MPa 左右，當在鈦合金基體的表面制備4 層TiAlN/Ti 涂層后，表面殘余拉應力達到45.1 MPa，而12 層TiAlN/Ti 涂層結構試件的表面殘余拉應力數值為24.4 MPa。結合涂層的劃痕測試結果可見，一定涂層結構可以降低表面的殘余拉應力，提高涂層的結合強度，降低涂層在外力作用下產生裂紋或者發生疲勞破壞的可能。沖蝕后，未涂覆涂層的基體試樣表面的殘余應力為壓應力，殘余應力值為568 MPa 左右，在鈦合金基體表面鍍TiAlN/Ti 涂層后，當層數為4層時，表面殘余壓應力值達到602 MPa，比基體增加了34 MPa；當涂層層數為8 層時，沖蝕坑表面的殘余壓應力值達到703 MPa，比基體增加了135 MPa；而12 層TiAlN/Ti 涂層試件的表面殘余拉應力值為771 MPa，比基體增加了203 MPa。分析得出，當TiAlN/Ti 涂層層數為12 層時，壓應力值最大。以上結果表明，所涂覆的致密TiAlN/Ti 涂層能顯著改善試樣的表面性能。

圖6 基體和涂層試件的殘余應力測試結果Fig.6 Residual stress test results of matrix coating specimens

2.5 沖蝕后的表面形貌

對沖蝕后試件的表面形貌進行宏觀形貌觀察，如圖7 所示。從沖蝕區來看，4 層沖蝕區涂層脫落明顯，可見大面積基體區；當涂層層數為8 層時，沖蝕區的涂層局部有脫落，偶見基體；而當涂層層數為12 層時，涂層脫落不明顯，對基體的防護較好，這與上面的沖蝕率計算結果一致。涂層試樣的沖蝕破壞范圍比基體的沖蝕破壞范圍小很多，說明鈦合金試樣由于硬度低，抗磨損性能差，很容易受到沖蝕損傷破壞；對于涂層樣品，相同厚度的情況下，層數越多，涂層沖蝕范圍區域越小。

圖7 沖蝕后試件的宏觀形貌Fig.7 The macroscopic morphology of the specimen after erosion

圖8 是基體、4 層、8 層和12 層TiAlN/Ti 涂層試件的沖蝕后表面微觀形貌，可以清晰地看出基體材料在受到沖蝕破壞后，由于沒有涂層防護，砂粒對鈦合金表面犁劃，使得表面磨損嚴重，形成大量的犁劃溝，表面凹凸不平，粗糙度較大。當TiAlN/Ti 涂層的層數為4 層時，相比基體試樣，涂層局部脫落部位，試樣表面犁劃減小，表面凹凸不平程度降低，鈦合金基體表面有磨損，損傷程度降低。隨著涂層層數的增加，涂層的損傷面積減小，在損傷脫落部位，鈦合金表面裸露區域的粗糙度逐漸降低，表面損傷程度減小，涂層的抗沖蝕性能得到顯著改善。

圖8 沖蝕后表面微觀形貌Fig.8 Microstructure of the TC4 surface after erosion test

3 結論

1）采用MEVVA 注入與FCVA 沉積復合技術在TC4 鈦合金表面制備了不同層數（4、8、12 層）的TiAlN/Ti 涂層，涂層表面均勻，致密性較好，表面性能得到顯著改善。相對于基體，涂層試件的粗糙度降低，硬度和彈性模量顯著提高，基體與涂層的結合力也顯著提高。

2）TiAlN/Ti 涂層可顯著提高TC4 基體的45°抗粒子沖蝕性能。層數為4、8、12 層的TiAlN/Ti涂層試件的質量損失，相對于基體試件分別降低了86.9%、91.3%和94.0%。

3）從沖蝕區表面形貌來看，4 層沖蝕區涂層脫落明顯，可見大面積基體區；當涂層層數為8 層時，沖蝕區局部有脫落，偶見基體；而當涂層層數為12層時，涂層脫落不明顯，對基體的防護較好。

4）TiAlN/Ti 涂層顯著提高了TC4 鈦合金的抗沖蝕性能，且層數越多，抗沖蝕性能越強。這是由于層數越多的TiAlN/Ti 涂層，其H3/E2值越大，抗沖蝕性能越優越。