1、引言
表面涂層技術(shù)可有效提高鈦合金的表面防護(hù)性能，同時保持基體的優(yōu)良性能。磁控濺射法具有沉積速度快、涂層致密、膜基結(jié)合力強(qiáng)以及過程可控性佳等優(yōu)點,已成為金屬涂層制備的主流方法之一。鉬(Mo)材料具有優(yōu)異的硬度、優(yōu)良的耐磨和耐腐蝕性能，是一種理想的鈦合金涂層材料。本文將揭示涂層與基體間性能的區(qū)別和優(yōu)勢,為拓展鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域、降低高端設(shè)備的運行成本提供金屬涂層制備和性能優(yōu)化的理論依據(jù)。
2、實驗材料與方法
2.1實驗材料與設(shè)備
(1)基體與靶材。
本文以 TC21鈦合金鍛件為研究對象,其化學(xué)成分及含量為: Al5.2%~6.8%, Zr1.6%~2.5%, Sn1.6%~2.5%,Mo2.2%~3.3%,Cr0.9%~2.0%,Nb1.7%~2.3%,余量為 Ti。利用電火花線切割加工出 31mm-20mm-3mm試件。靶材料選擇純度為 99.99%的鉬靶,尺寸與磁控濺射設(shè)備適配。
(2)實驗設(shè)備。
主要實驗設(shè)備有:高真空多靶磁控濺射儀 JCP-350M2(北京泰科諾), FEIQUANTFEG1300掃描電鏡(附能譜圖,美國 FBI), BRUKERX射線衍射儀(德國布魯克), Qness Q10全自動硬度儀(奧地利 Qness), MFT-5000多功能摩擦磨損試驗機(jī)(美國Rtec),BRUKER-NPFLEX(德國布魯克公司)。
2.2 實驗方法
(1)基體預(yù)處理。
基材前處理流程為:用 400#~2500#梯度金相砂紙逐次打磨鈦合金表面,去除氧化皮和表面劃痕;用無水乙醇對拋光基材進(jìn)行超聲清洗 30min,使拋光基材表面的油污和雜質(zhì)完全去除;在 60℃的真空干燥箱內(nèi)干燥10min后,密封保存,待用;試驗前先用無水酒精進(jìn)行超聲洗凈 20min,后干燥以保證表面的潔凈。
(2)磁控濺射涂層制備。
采用磁控濺射法制備 Mo涂層,基于可控變量的設(shè)計思想,在真空室壓強(qiáng)為 0.6Pa、沉積時間為 40min、氬氣流量為 0.6 sccm的條件下,通過調(diào)節(jié)沉積溫度和濺射功率,構(gòu)建鍍層的工藝參數(shù)矩陣,如表 1、圖 1所示。
表1磁控濺射工藝參數(shù)水平設(shè)計
| 工藝參數(shù) | 水平1 | 水平2 | 水平3 |
| 沉積溫度 / °C | 250 | 300 | 350 |
| 濺射功率/W | 120 | 150 | 180 |
(3)性能測試與表征。
微觀形貌和成分分析:利用掃描電鏡觀察涂層表面形貌和磨損形貌,借助能譜分析涂層中元素的百分?jǐn)?shù)分布,利用 ImageJ軟件計算孔隙率。相結(jié)構(gòu)表征:在銅靶, θ ? 2θ掃描模式下, 20 ° ～ 90 °掃描, 7 min的掃描范圍, X射線衍射儀(XRD)對物相進(jìn)行分析;顯微硬度試驗:采用QnessQ10全自動硬度儀,選擇 100 g的維氏硬度測定方式,每樣取 5個不同的測點,取其平均硬度作為最終硬度值;采用 MFT-5000型多功能摩擦磨損試驗機(jī),采用球-盤接觸方式,采用直徑 ?4.75 mm的球作為上摩擦副,室溫 25 °C,濕度 30% ～ 40%,頻率 3 Hz,載荷 7 N,試驗時間20分鐘;根據(jù)下面的公式,用 BRUKER-NPFLEX非接觸三維形貌掃描器測量磨耗體積。
式中: K為比磨損率 (mm3.N?1.m?1) ; W v 為磨損體積 (mm3) ; P為法向載荷(N); S為滑動距離(m)。
3、實驗結(jié)果與分析
3.1涂層制備工藝優(yōu)化
(1)最優(yōu)工藝參數(shù)確定。
通過對鍍層沉積速度、致密度和結(jié)合力的系統(tǒng)研究,確定了 Mo涂層的最佳工藝參數(shù),如表 2所示。
表2優(yōu)化后的 Mo涂層制備工藝參數(shù)
| 涂層類型 | 濺射溫度 | 濺射功率 | 沉積時間 | 氬氣壓力 | 涂層厚度 |
| °C | W | min | Pa | μm |
| Mo涂層 | 350 | 180 | 40 | 0.6 | 1.2±0.1 |
(2)工藝參數(shù)影響規(guī)律。
在沉積溫度不變的情況下,提高濺射功率可以加快鉬原子的濺射速度和沉積速度,鍍層中 Mo元素的含量逐漸增加;但過高的功率會使基體受到粒子轟擊的影響更大,表面粗糙度增加。在功率為 180W的情況下,鍍層的致密性和元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了理想的平衡,涂層的綜合性能最佳2]。
將真空室的氣壓設(shè)定在0.6Pa時，在適當(dāng)?shù)牡入x子體濃度下,鉬原子可獲得足夠的動能,在避免過多原子碰撞引起的動能損失的情況下，獲得足夠的致密度;當(dāng)壓力超過這一數(shù)值時，沉積速度降低、孔隙率增加。
3.2涂層微觀結(jié)構(gòu)與物相分析
(1)微觀形貌。
掃描電鏡觀察表明，TC21鈦合金基體經(jīng)過預(yù)處理后表面平整，并留下均勻的機(jī)械磨紋。在最佳工藝條件下,鍍層表面呈亮銀色,均勻分布,無明顯缺陷;從斷面
上看,鍍層與基體的界面清晰、連續(xù),無氣孔、裂紋等缺陷,說明鍍層與基體具有良好的結(jié)合。通過ImageJ軟件計算孔隙率,所有樣品的孔隙率都在5%以下。
(2)物相組成。
如圖2所示,譜分析表明鍍層中 Mo含量在 90%以上,而9號試樣鉬和鈦的含量分別為 96%和 1.49%。 X射線衍射結(jié)果表明,鍍層的主要衍射峰分別與鉬單質(zhì)相一致,具有明顯的(110)晶面擇優(yōu)取向,未發(fā)現(xiàn) Mo-Ti化合物及其它雜相。基體衍射峰為 α-Ti和 β-Ti相,表明鍍層與基體之間沒有發(fā)生明顯的界面反應(yīng)，鍍層的物相組成較純。
3.3涂層與基體性能對比
(1)顯微硬度。
圖 3結(jié)果表明,TC21鈦合金基體顯微硬度平均為320 HV。與基體相比, Mo涂層的顯微硬度最高484HV,較基體(340HV)提升 42.4%;其主要原因是磁控濺射制備出了致密的細(xì)晶層，根據(jù)霍爾-佩奇關(guān)系，細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)使得涂層的硬度顯著高于粗晶基體。
(2)摩擦磨損性能。
表2所示為摩擦磨損實驗結(jié)果,可見TC21鈦合金基
體摩擦系數(shù)為 0.395,比磨損率達(dá) 2.807 mm3.N?1?m?1; Mo涂層試樣中,僅 1號試樣 (250 °C、120W)摩擦系數(shù)(0.376)略低于基體,其余試樣摩擦系數(shù)均高于基體,但所有涂層試樣比磨損率均實現(xiàn)顯著降低。9號試樣 (350 °C、180 W)摩擦系數(shù)為 0.573,比磨損率低至 0.005mmmm3.N?1?m?1,較基體降低約560倍，耐磨性能最為優(yōu)異。
表2涂層與基體摩擦磨損性能對比
| 樣品類型 | 摩擦系數(shù) | 比磨損率 mm3.N?1.m?1 | 比磨損率 降低幅度/% |
| TC21基體 | 0.395±0.02 | 2.807±0.15 | - |
| Mo涂層(250℃、120W) | 0.376±0.02 | 1.836±0.08 | 34.6 |
| Mo涂層 (300 °C、150W) | 0.581±0.03 | 0.013±0.001 | 99.5 |
| Mo涂層(350℃、180W) | 0.573±0.03 | 0.005±0.001 | 99.8 |
4、涂層強(qiáng)化機(jī)制與磨損機(jī)理分析
4.1涂層強(qiáng)化機(jī)制
(1)細(xì)晶強(qiáng)化。
磁控濺射法是利用高能原子在鈦合金表面快速沉積和長大，快速的沉積結(jié)晶過程，形成納米級的細(xì)晶結(jié)構(gòu)。根據(jù)霍爾-佩奇關(guān)系式,材料的硬度和晶粒大小成反比,細(xì)晶結(jié)構(gòu)阻止了涂層內(nèi)位錯的移動,使硬度大大提高:
σy = σ0 + kdd-1/2
式中: σ y 為屈服強(qiáng)度; σ 0 為位錯摩擦應(yīng)力; k d 為細(xì)晶強(qiáng)化系數(shù);d為晶粒尺寸。 Mo涂層晶粒尺寸均在 40~80nm之間,細(xì)晶強(qiáng)化成為涂層硬度提升的核心機(jī)制。
(2)結(jié)構(gòu)致密化強(qiáng)化。
通過優(yōu)化制備工藝,制備出致密、無孔隙的 Mo涂層,有效阻隔了磨粒侵入和應(yīng)力傳遞,降低了涂層剝落和失效。與晶粒結(jié)構(gòu)疏松的鈦合金相比,密實涂層可以在摩擦過程中形成連續(xù)的潤滑傳遞膜,降低摩擦系數(shù),進(jìn)一步提高耐磨性 [3]。
4.2磨損機(jī)理分析
鈦合金基體摩擦磨損主要表現(xiàn)為粘著磨損。其本質(zhì)是高表面能，在摩擦過程中易與摩擦副發(fā)生物質(zhì)遷移，形成粘著點進(jìn)而撕裂，從而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。相比之下，鉬涂層在摩擦過程中表面會生成一層薄而連續(xù)的氧化膜(MoO3),該氧化膜具有一定的潤滑性,可有效降低摩擦系數(shù)，其磨損機(jī)理向微磨粒磨損轉(zhuǎn)變。同時，鍍層良好的韌性可起到緩沖作用，防止鍍層開裂和脫落。此外，鉬膜在磨損過程中會生成致密的氧化物膜，該膜具有高硬度和高耐磨性，能有效阻止磨副和涂層之間的直接接觸[4]。
5、結(jié)束語
綜上所述,本文以TC21鈦合金為研究對象,采用磁控濺射技術(shù),在真空室內(nèi)壓力0.6Pa、沉積時間40min、沉積溫度350℃、濺射功率180W的工藝條件下,鍍層中Mo原子含量達(dá)到96%、孔隙率小于5%且與基體結(jié)合牢固。優(yōu)化工藝制備的鉬層較基體硬度高達(dá)484HV(340HV),硬度提高42.4%,其中以細(xì)晶強(qiáng)化和組織致密化為主。同時,Mo涂層顯著改善,該磁控濺射Mo涂層有效彌補了TC21鈦合金表面硬度低、耐磨性差的缺陷,可為其在摩擦工況下的工程應(yīng)用提供可靠的技術(shù)解決方案。
參考文獻(xiàn)
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[3]吳彼.鈦合金表面二硼化鈦涂層制備及其摩擦學(xué)行為研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2021.
[4]曹珍恩.TC4鈦合金表面磁控濺射不銹鋼薄膜制備及性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.
（注，原文標(biāo)題：鈦合金表面磁控濺射涂層制備及性能研究_岳汪洋）
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