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Cr元素引入對TiAlN涂層性能影響的研究現(xiàn)狀

2018-02-19 14:16:28馮彬彭如恕
機械工程師 2018年3期
關鍵詞:抗腐蝕磁控濺射摩擦

馮彬, 彭如恕

(南華大學機械工程學院,湖南衡陽 421001)

0 引言

涂層技術的產(chǎn)生及發(fā)展順應了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的步伐,使得各類工模具和耐磨損零部件對硬度、抗磨損性能、抗氧化性能等性能的要求得到滿足。氮化物涂層因具有良好的綜合性能,應用頗廣。TiN涂層出現(xiàn)較早,在切削工具、摩擦(軸承和齒輪)、裝飾和光學領域得到普遍應用[1-2]。但隨著對TiN涂層應用的不斷加深,發(fā)現(xiàn)其在高溫抗氧化性能等方面的表現(xiàn),滿足不了工業(yè)生產(chǎn)要求。TiN涂層開始氧化是在溫度超過450℃時,并生成TiO2,溫度為600℃時,涂層表面開始出現(xiàn)局部氧化皮;到了800℃時,涂層大塊剝落,裸露出基材,從而使涂層失效[3]。具有NaCl型Ti1-xAlxN涂層因其優(yōu)異的力學、熱學和摩擦學性能被廣泛應用于先進加工和其他高溫應用中[4]。由于引入Al元素,TiAlN涂層起始氧化溫度達到750℃,這主要得益于TiAlN涂層表面形成的Al2O3保護膜,該保護膜致密、連續(xù),能夠阻礙氧原子向氧化膜/涂層界面進行擴散,從而阻止了涂層的進一步氧化[5]。

通過引入第四種合金元素Cr來優(yōu)化TiAlN涂層,以滿足高溫下的零部件的性能要求,正引起人們的極大關注。本文主要總結了含Cr過渡層(CrN/Cr層)以及TiAlCrN涂層中Cr元素對TiAlN涂層相關性能的影響規(guī)律,為制備性能優(yōu)異的(Ti,Al,Cr)N涂層提供參考。

1 含Cr過渡層的影響

1.1 CrN涂層的組織性能及其對TiAlN涂層性能的影響

F.D.Lai[6]采用陰極電弧等離子體沉積法制備了CrN涂層,發(fā)現(xiàn)CrN涂層主要存在CrN相和β-Cr2N相;在1050℃溫度以上,會發(fā)生CrN相向Cr2N相的轉(zhuǎn)變。在較低溫度(700℃和850℃)退火后,CrN涂層表面形貌、顯微硬度、抗腐蝕性能發(fā)生輕微變化。在較高溫度(1000℃和1150℃)退火后,CrN涂層表面變得均勻并分布有細小顆粒。CrN涂層在抗腐蝕性能方面表現(xiàn)良好,同時具有較高的硬度值。文獻[7]~[8]研究發(fā)現(xiàn),CrN/TiAlN涂層平均摩擦因數(shù)可達0.77,磨損率達到2.58×10-5mm-3/m,具有優(yōu)異的抗磨損性能。YuX.Xu[9]探索了CrN/TiAlN多層涂層的高溫行為,發(fā)現(xiàn)CrN過渡層雖然會促進TiAlN向亞穩(wěn)態(tài)c-TiN和c-AlN富集區(qū)域的旋節(jié)分相,但是能夠抑制退火過程中穩(wěn)定的w-AlN相形成,有助于涂層的熱穩(wěn)定性,提高了涂層的抗高溫氧化性能。

1.2 CrN/Cr過渡層對TiAlN涂層性能影響

Fanyong Zhang等[10]在2024鋁合金基材上制備了CrN/Cr,其硬度與彈性模量分別達到了15.4 GPa和197 GPa,高于鋁合金基材的硬度(5.2 GPa)和彈性模量(76 GPa),且兩者較高的比值H/E(0.078)表明其具有較好的抗磨損性能。蘇永要[11]在TiCN基陶瓷刀具表面成功制備了TiAlN/CrN/Cr涂層,發(fā)現(xiàn)CrN/Cr過渡層的添加,對TiAlN涂層的微觀相結構及顯微硬度影響不明顯,但可改善膜基結合力,使TiAlN涂層耐磨損性能得到明顯提高。K.-D.Bouzakis等[12]制備了含CrN/Cr,WN/W,TiN/Ti三種不同過渡層的TiAlN涂層,結果顯示CrN/Cr過渡層明顯增強了TiAlN刀具涂層與基材之間的結合,提高了切削性能。L.Cunha等[13]發(fā)現(xiàn)CrN/Cr涂層水腐蝕行為與涂層的缺陷密度有關,針孔或氣孔含量少的CrN/Cr涂層表現(xiàn)出更好的抗腐蝕性能。文獻[14]研究發(fā)現(xiàn),當多層CrN/Cr過渡層調(diào)制比與基材粗糙度相適應,可顯著改善TiAlN刀具涂層的附著力和切削性能。

2 TiAlCrN涂層中Cr元素的影響

2.1 Cr元素對涂層的力學性能的影響

2.1.1 顯微硬度

文獻 [15]~[17]對TiAlCrN涂層的顯微硬度進行了研究,發(fā)現(xiàn)其硬度值可以達到34.4 GPa左右,最高達到了38.7 GPa,較TiAlN涂層硬度值(31.2 GPa,最高為34.1 GPa)有了提高。M.Danek等[9]研究發(fā)現(xiàn),由于置換固溶硬化效應,TiAlN涂層硬度比TiAlCrN涂層更高。然而,對于多層TiAlCrN涂層,由于CrAlN層中CrN相的增加,不斷增加(200)衍射峰強度,減?。?11)衍射峰強度,涂層硬度值得到提高。宋慶功[18]用反應磁控濺射的方法沉積了不同Cr含量的TiAlCrN涂層,發(fā)現(xiàn)TiAlCrN涂層硬度隨Cr含量的增加,先增大,然后降低。Cr含量過低、過高都對薄膜硬度產(chǎn)生不利影響。

2.1.2 膜基結合力

陳靈等[19]通過劃痕實驗發(fā)現(xiàn),TiAlCrN涂層膜基結合力比較高,臨界載荷Lc最高達到了105N(工業(yè)應用中,Lc>40 N就能達到要求)。其原因是CrN層的晶粒細小,在組織結構上發(fā)揮著很好的的過渡作用,使膜不容易從襯底上剝落,從而使膜基結合力得到提高。文獻[18]、[20]研究發(fā)現(xiàn),TiAlCrN涂層的臨界載荷隨Cr含量增加而增大,Cr的加入能顯著提高涂層與基體的結合強度。文獻[21]認為,TiAlCrN涂層主要由非晶組成,在非晶中含有納米級晶粒。TiN、CrN、AlN、Cr2N、Ti2N等多晶相彌散于非晶相中,因而具有很好的膜基結合強度。TiAlCrN涂層致密,均勻性較好,組織細小,薄膜與基體無明顯的分界面,屬于融合型界面,這種界面可以保證涂層和基體之間獲得良好的結合力。

2.1.3 抗摩擦磨損性能

TiAlCrN涂層具有優(yōu)良的抗摩擦磨損性能,當摩擦磨損發(fā)生時,Cr的氧化物對涂層的自排屑能力有利,使其保持自潤滑特性[22]。汝強等[23]通過室溫干摩擦磨損試驗發(fā)現(xiàn),TiAlCrN涂層會出現(xiàn)片狀剝落,磨損區(qū)域的EDS能譜分析表明,磨損過程存在部分氧化磨損的特征。Duck HyeongJung等[24]研究了TiAlN-X(X=B、Si、Cr)的抗摩擦磨損性能,發(fā)現(xiàn)TiAlN-Cr涂層摩擦因數(shù)最低。TiAlCrN涂層相對于氮化硅摩擦副的平均摩擦因數(shù)為0.36[17]。

2.1.4 抗熱沖擊性能

贠柯等[25]采用磁控濺射技術在高速鋼基體上制備了不同含量的CrTiAlN涂層,CrTiAlN涂層主要由CrN+少量TiN組成。熱沖擊溫度為600℃時,涂層有Cr2O3、TiO2等新相生成,有氧化現(xiàn)象發(fā)生。對于不同元素含量的CrTiAlN涂層,其Cr、Ti的含量嚴重影響著涂層的熱沖擊性能。Cr含量較高、Ti含量較小的涂層具有較好的抗熱沖擊性能,反之涂層則具有較差的抗熱沖擊性能。

2.2 Cr元素對涂層的微觀組織的影響

TiAlCrN涂層表面平整、光滑,組織結構致密穩(wěn)定,晶粒明顯、細小,呈柱狀生長,沒有縫隙、針孔等缺陷[17,26-27]。汝強[23]在鈦合金TC11基片上制備了TiAlCrN涂層,發(fā)現(xiàn)其具有較強的(220)擇優(yōu)取向,主要由(Ti,Al)N和(Ti,Cr)N物相組成。文獻[16]、[27]指出,CrTiAlN涂層中主要為CrN相,當基體偏壓在0~25 V之間時,(TiCrAl)N涂層是六方相,超過50 V時,僅僅存在立方相。

程立軍[26]在不銹鋼基體上沉積了不同Cr含量TiAlCrN涂層,結果發(fā)現(xiàn),晶粒大小隨著Cr含量增加而先變小,后稍微變大。A.E.Santana[28]研究了Cr含量對TiAlCrN涂層微觀結構的影響,發(fā)現(xiàn)引入Cr元素有利于在TiAlCrN涂層中形成柱狀結構,促進較硬的(Cr,Al)N相的形成與較軟的纖鋅礦hcp-(Al,Ti)N相的消失。JingjingZhou[29]對偽三元c-TiN/c-AlN/c-CrN系統(tǒng)做了熱力學評估,發(fā)現(xiàn)Cr原子分布在富c-TiN和富c-AlN區(qū)域且優(yōu)先聚集在界面區(qū)域,這種界面富集現(xiàn)象有利于減小晶格失配,對旋節(jié)分解的驅(qū)動力更小。

2.3 Cr元素對涂層高溫抗氧化性能的影響

TiAlN基涂層在氧化過程中形成的穩(wěn)定r-TiO2,能促進富含多孔鈦氧化物底層的生成,不利于涂層的抗氧化性能;而引入的CrN,能阻止an-TiO2向r-TiO2的轉(zhuǎn)變,以及富含多孔的鈦氧化物底層的生成,從而提高涂層的抗氧化性能[15]。文獻[16]指出,TiAlCrN涂層起始氧化溫度約為1000℃,高于TiAlN涂層(800℃)。

Cr元素能有效細化TiAlCrN涂層晶粒,促進Al2O3的形成以及與其形成(Al,Cr)2O3阻止氧向內(nèi)擴散;能夠抑制銳鈦礦型TiO2向金紅石型TiO2的轉(zhuǎn)變;同時還能氧化形成致密的Cr2O3保護層,從而提高TiAlCrN涂層的抗氧化性能[30-31]。

文獻[31]指出,TiAlCrN涂層在1000℃的氧化產(chǎn)物主要為TiO2、Al2O3以及少量的Cr2O2.4,Cr2O2.4的生成說明氧化層阻礙了氧向涂層內(nèi)部擴散,才導致氧化層中含氧量不足,展現(xiàn)出TiAlCrN涂層優(yōu)異的高溫抗氧化能力。

2.4 Cr元素對涂層抗腐蝕性能的影響

TiAlCrN涂層的抗腐蝕性能好于不銹鋼和TiAlN涂層,Cr含量高的抗腐蝕性能也越強。在適宜的參數(shù)下制備的TiAlCrN涂層,其抗腐蝕性能約為不銹鋼的15.0倍,約為TiAlN涂層的7.7倍。Cr2O3相的存在,有利于提高涂層抗腐蝕性能[24,26]。

3 結語

Cr元素引入,對TiAlN基涂層的力學性能和抗高溫氧化性能具有促進作用,但同時也影響了其他相關性能。為獲得綜合性能更好的TiAlN基涂層,要進一步研究其他元素與Cr元素同時引入對TiAlN涂層性能的影響,目前這類工作值得深入進行,尤其是對影響機理的研究。

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