電弧離子鍍沉積TiN/AlN-TiAlN 復(fù)合膜的耐磨性

李爭顯，王少鵬，潘曉龍，杜繼紅，王寶云，嚴(yán) 鵬

（西北有色金屬研究院腐蝕與防護研究所，陜西西安710016）

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性能優(yōu)異、中溫性能穩(wěn)定等優(yōu)點，使其在航空工業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。但鈦合金的摩擦系數(shù)大，抗粘著磨損性能差，在作為磨損部件時，容易造成部件的磨損失效[2]。因此，為提高鈦合金的耐磨性，延長鈦合金部件的使用壽命，必須對鈦合金進行表面改性處理。

電弧離子鍍技術(shù)（Arc Ion Platnig，簡稱AIP)，是將電弧等離子體應(yīng)用于表面領(lǐng)域的一種先進的薄膜沉積技術(shù)。具有沉積速度快、繞鍍性好、膜與基體結(jié)合力高、膜層致密性好、基材溫度低等優(yōu)點[3~5]。利用電弧離子鍍技術(shù)在鈦合金表面沉積硬度高的氮化物膜層，可增加鈦合金的表面硬度，改善鈦合金的耐磨性，同時對鈦合金基材的性能影響很小。

本文以高純的Ti和Al作為靶材，采用電弧離子鍍技術(shù)，通過控制相應(yīng)的工藝參數(shù)，在鈦合金TC4表面沉積了TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層，對比研究了復(fù)合膜層和TC4基材的硬度及耐磨性。

1 試驗材料及方法

試驗用基材為西北有色金屬研究院生產(chǎn)的TC4合金，經(jīng)機加工成30 mm×30 mm×5 mm的試樣片。電弧離子鍍靶材采用純度為99.99%的鋁靶和鈦靶。鍍膜前試樣經(jīng)機械打磨、拋光、清洗。沉積設(shè)備為SP-0810AS型多功能真空鍍膜機。沉積時，將試樣裝夾在試樣架上，試樣架以一定的速度轉(zhuǎn)動，使試樣在不同的時間面向不同的靶材。試樣面向Ti靶時，在試樣表面沉積TiN層；而面向Al靶時，可在試樣表面沉積AlN層；在兩個靶之間時，可沉積TiAlN層。通過合理的控制試樣架的轉(zhuǎn)速及沉積工藝參數(shù)，在TC4試樣表面沉積TiN/AlNTiAlN復(fù)合膜層。用HV-1000型顯微硬度計，測量了復(fù)合膜層的表面硬度，測試條件為：維氏壓頭，載荷0.245N，保載時間15s。用BD-2型球盤磨損試驗機對比研究了復(fù)合膜層和TC4基材的耐磨性，測試條件為：直徑5 mm剛玉球配副、壓力5N、磨痕軌跡直徑Ф20 mm、干摩擦（無潤滑），利用磨損失重表征耐磨性，并用掃描電鏡觀察了復(fù)合膜層的磨痕形貌。

2 結(jié)果及討論

2.1 膜層的表面硬度

圖1 膜層與基材的表面硬度對比

圖1為采用電弧離子鍍工藝沉積的TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層的顯微硬度測試結(jié)果，硬度值為同一個試樣5個測量數(shù)據(jù)的平均值。從硬度測量結(jié)果可以看出，電弧離子鍍工藝沉積的TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層的硬度為2 856 HV，硬度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TC4基材，約是基材的8.9倍，表面硬度得到了明顯的改善。

TiN和AlN同屬立方結(jié)構(gòu)，TiAlN是在TiN的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其結(jié)構(gòu)保持TiN的立方結(jié)構(gòu)，部分Ti原子由鋁原子替代。由于TiN、AlN和TiAlN三者同屬立方結(jié)構(gòu)，在復(fù)合膜層沉積過程中，由于在界面處共格生長產(chǎn)生畸變能，增加了位錯運動的阻礙作用，從而提高了膜層的硬度。另外，TiN和AlN在彈性模量上存在較大差異，TiN為590 kN/mm2，AlN為350 kN/mm2，TiAlN的彈性模量介于兩個之間，由于彈性模量的較大差異，將阻礙位錯線沿界面穿過[6~8]，有利于改善復(fù)合膜層的硬度，所以采用電弧離子鍍沉積的TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層的顯微硬度，達(dá)到2 856 HV的超硬程度。

2.2 膜層與基材的摩擦性能

圖2為電弧離子鍍工藝沉積的TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層和TC4基材磨損失重結(jié)果對比。其測試方法采用球盤磨損方式，配副為剛玉球。復(fù)合膜層試樣及TC4基材試樣作為盤試樣，固定不動，剛玉球試樣以一定的速度在盤試樣表面做圓周滑動，球試樣不轉(zhuǎn)動，在球和盤之間產(chǎn)生滑動磨損，其接觸方式為球—平面接觸。測試時，復(fù)合膜層試樣及TC4基材試樣采用相同的規(guī)格，測試時間為30 min，測試完成后采用失重表征耐磨性。從圖2可以看出，在30 min的磨損測試時間內(nèi)，TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層試樣的磨損失重為0.38 mg，TC4基材試樣的磨損失重為3.01 mg，復(fù)合膜層試樣的磨損失重約是基材的1/8。從磨損失重結(jié)果來看，在TC4表面沉積TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層后，耐磨性得到了明顯改善。

圖2 基材和復(fù)合膜層的耐磨性

圖3 基材和復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)

圖3為TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層試樣及TC4基材試樣的摩擦系數(shù)隨磨損測試時間的變化曲線。從圖中可以看出，TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層試樣，在起始跑和階段摩擦系數(shù)呈增加趨勢，在摩擦測試約100 s后，摩擦系數(shù)達(dá)到峰值，約為0.63，隨后呈線性下降，在約200 s后，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定，呈緩慢下降趨勢，其值基本在0.55～0.60之間變化。TC4基材試樣的摩擦系數(shù)隨磨損時間的變化曲線，基本同TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層試樣的相似，在穩(wěn)定階段其值在0.46～0.51之間變化，但其呈緩慢增加趨勢，穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)低于TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層試樣。

圖4 Ti N/Al N-Ti Al N復(fù)合膜的磨損形貌

圖4為TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層試樣的磨痕表面形貌?？擅黠@觀察到磨粒磨損產(chǎn)生的“犁溝”現(xiàn)象。同時，可觀察到谷底存在細(xì)小的磨粒，其磨損方式主要以磨粒磨損為主，但在磨痕形貌中，也可觀察到細(xì)小的粘著坑，說明其也存在微弱的粘著磨損。另外，沉積復(fù)合涂層的試樣，在本文采用的磨損測試條件下，磨損30 min中，涂層未磨穿，證明復(fù)合膜層具有良好的耐磨性。

一般情況下，材料的硬度越高，耐磨性越好，提高表面硬度是改善耐磨性的一條有效途徑。電弧離子鍍沉積TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層后，由于TiN、AlN和TiAlN在界面處的共格生長產(chǎn)生的畸變能及不同相結(jié)構(gòu)間彈性模量的差異，在界面處增加了位錯運動的阻力，從而使復(fù)合膜層的硬度達(dá)到了超硬的水平。所以沉積復(fù)合膜層的耐磨性相比TC4基材，有大幅度的改善。TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層硬度高，相應(yīng)的其脆性也較大。在磨損測試過程中，膜層容易產(chǎn)生脆性氮化物磨屑，其部分排出球盤接觸區(qū)域之外，部分存在接觸區(qū)域之間，作為磨粒使復(fù)合膜層產(chǎn)生磨粒磨損。電弧離子鍍工藝沉積的膜層，在沉積過程中，靶材熔化的液滴會沉積到試樣表面，在膜層中形成微“顆?！保@些顆粒增加了膜層表面的粗糙度，從而沉積復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)比TC4基材略有增加。

3 結(jié)束語

（1）采用電弧離子鍍工藝在TC4表面沉積TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層的硬度達(dá)到超硬程度，其值為HV2856；約是TC4基材的8.9倍；

（2）電弧離子鍍沉積的TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層的磨損失重約是TC4基材的八分之一，沉積復(fù)合膜層后，耐磨性得到了明顯的改善；

（3）電弧離子鍍沉積TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層后，摩擦系數(shù)相比TC4基材略有增加，在穩(wěn)定階段其值在0.55-0.60之間變化；

（4）電弧離子鍍沉積的TiN/AlN-TiAlN復(fù)合膜層在配付為剛玉，在球盤磨損的考核方式下以磨粒磨損為主，并伴隨有微弱的粘著磨損。

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