真空電弧沉積法在鈦合金基體上制備TiAlN改性防護(hù)涂層及性能研究.pdf

1、本論文以發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金防護(hù)涂層為目的，采用真空陰極電弧離子鍍技術(shù)和射頻磁控濺射技術(shù)，使用Ti靶、Cr靶、TiAl合金靶及Al2O3陶瓷靶，按照不同的實(shí)驗(yàn)工藝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片材料TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）鈦合金基片上制備了不同成份的Ti-Al-N系、TiAlCrN系及TiAlN+Al2O3系涂層。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、X-射線衍射（XRD）、高分辨率透射電鏡

2、（HRTEM）、俄歇電子能譜（AES）、X射線光電子能譜（XPS）、熱分析儀、顯微硬度計(jì)、劃痕儀、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等技術(shù)和設(shè)備，分析了制備工藝對TiAlN、TiAlCrN及TiAlN+Al2O3氮化物涂層的形貌、成份、相結(jié)構(gòu)等的影響，重點(diǎn)研究了涂層Al含量對涂層力學(xué)性能、抗氧化性的影響，以及摻雜元素Cr和射頻摻雜Al2O3對TiAlN涂層的改性效果，并對比分析了三種涂層體系對鈦合金的防護(hù)效果，為利用等離子體鍍膜技術(shù)開發(fā)新型的高溫鈦合金防護(hù)

3、涂層提供了理論依據(jù)和關(guān)鍵制備技術(shù)。 研究結(jié)果表明，TiAlN涂層主要由面心立方結(jié)構(gòu)的（Ti，Al）N相組成，適當(dāng)提高N2分壓（0.6Pa）可以顯著改善TiAlN涂層的形貌質(zhì)量。增大負(fù)偏壓（120～200V）可獲得結(jié)構(gòu)致密的涂層組織，并能有效控制熔滴顆粒的數(shù)目和尺寸。隨著涂層Al含量的提高，TiAlN涂層（111）擇優(yōu)取向減弱，（111）晶面層間距變小。涂層的硬度隨Al含量的增加先上升后降低，在Al含量為25at.％時(shí)，涂層硬度達(dá)

4、到峰值為2461Hv。 TiAlN涂層添加Cr元素后，制備的TiAlCrN涂層表面形貌較粗糙，涂層主要由（Ti，Al）N、（Ti，Cr）N和CrN物相混合組成，并且涂層生長取向由（111）向（220）轉(zhuǎn)變。相關(guān)的高分辨透射電鏡（HRTEM）檢測表明，TiAlCrN涂層中有較多不同取向的小晶粒，呈多相混晶排列。由于固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等效應(yīng)，使TiAlCrN涂層的硬度較TiAlN涂層略有提高，達(dá)到2521HV。 電弧離子鍍

5、TiAlN和射頻磁控濺射Al2O3共沉積制備得到TiAlN+Al2O3復(fù)合涂層，由于射頻濺射摻雜的沉積量較小，摻雜改性的復(fù)合涂層的擇優(yōu)取向和物相結(jié)構(gòu)與TiAlN涂層相比沒有發(fā)生明顯改變。掃描電鏡（SEM）斷面形貌觀測表明，TiAlN+Al2O3復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)比TiAlN涂層更致密。高分辨率透射電鏡（HRTEM）觀測表明，射頻摻雜的Al2O3阻礙了涂層的連續(xù)生長，涂層晶粒較細(xì)小，涂層形成類似于網(wǎng)狀的鑲嵌結(jié)構(gòu)。Al2O3摻雜導(dǎo)致復(fù)合涂層

6、的硬度升高，最大值為2632HV。 室溫時(shí)的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，TC11鈦合金的硬度較低，表現(xiàn)出明顯的粘著磨損的特征，而表面涂層改性后由于表面硬度的提高，粘著磨損現(xiàn)象大大降低，合金的耐磨性得到顯著改善，涂層樣品的磨損特征為磨粒磨損和部分氧化磨損。 大氣下的中、高溫氧化實(shí)驗(yàn)在650～900℃區(qū)間進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TC11鈦合金650℃氧化時(shí)表面生成以金紅石結(jié)構(gòu)為主的疏松TiO2氧化層，不具備保護(hù)性效果。而TiAlN、TiA

7、lCrN、TiAlN+Al2O3涂層抗氧化性效果明顯改善，即使在800℃時(shí)，表面保持光亮，氧化現(xiàn)象較輕微，具有良好的熱防護(hù)效果。 TiAlN涂層的高溫穩(wěn)定性隨涂層中Al含量的增加而提高。低Al含量的涂層氧化后表層形成Ti和Al的混合氧化物。隨著涂層中Al含量增加，涂層發(fā)生選擇性氧化，形成較完整的Al2O3。Ti0.75Al0.25N涂層在700℃和800℃高溫氧化后，俄歇能譜（AES）分析表明，氧和涂層元素的擴(kuò)散呈“臺階”狀分

8、布，Al和O由涂層表面向內(nèi)呈“下坡”狀變化，而Ti和N則出現(xiàn)“上坡”狀變化。Ti0.5Al0.5N涂層高溫氧化后，氧和涂層元素的分布同Ti0.75Al0.25N相似，但其表層氧化膜的厚度小于Ti0.75Al0.25N，這與高Al含量的TiAlN涂層自身的熱穩(wěn)定性提升有關(guān)。相應(yīng)的TiAlN涂層在800℃氧化后的XPS分析表明，表層的富Al層主要以Al2O3形態(tài)存在。連續(xù)升溫條件下的TG-DSC熱分析表明，Ti0.75Al0.25N涂層的氧

9、化熱力學(xué)平衡溫度為944.57℃，而Ti0.5Al0.5N涂層的氧化熱力學(xué)平衡溫度提升至952.97℃。高溫氧化后，較高Al含量的涂層表層形成高致密的富Al氧化層，阻止了O的擴(kuò)散和反應(yīng)，這是其具有良好抗氧化性能的主要原因。 TiAlCrN涂層在700℃和800℃高溫氧化后，AES分析表明，氧和涂層元素在高溫?cái)U(kuò)散后也出現(xiàn)“臺階”狀分布，O、Al、Cr由涂層表面向內(nèi)呈“下坡”狀變化，而Ti、N則出現(xiàn)“上坡”狀變化，即表層生成致密的

10、富Al氧化層，內(nèi)層形成富Cr氧化層和富Ti氧化層的混合結(jié)構(gòu)，其氧化膜厚度明顯小于Ti0.5Al0.5N，僅為其厚度的一半，這表明添加Cr元素可以提高涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性，涂層氧化程度進(jìn)一步減緩。XPS分析進(jìn)一步表明，表層的富Al層以Al2O3形態(tài)存在。連續(xù)升溫TG-DSC熱分析表明，添加Cr后，多元涂層的熱穩(wěn)定性進(jìn)一步得到改善，其熱力學(xué)氧化平衡溫度提高至994.04℃。 摻雜改性的Ti0.5Al0.5N+Al2O3復(fù)合涂層氧化后的

11、晶粒較同條件下氧化后的TiAlN細(xì)小，氧化膜與基體的粘著性得到明顯改善。AES分析表明，復(fù)合涂層700℃和800℃高溫氧化后，表層生成富Al層，而內(nèi)層形成富Ti層，其氧化膜的厚度稍小于Ti0.5Al0.5N。XPS分析表明，表層的富Al層有Al2O3，阻止了O的擴(kuò)散，減緩氧化反應(yīng)的進(jìn)程。連續(xù)升溫TG-DSC熱分析表明，復(fù)合涂層的熱穩(wěn)定性得到改善，其熱力學(xué)氧化平衡溫度提高至989.46℃。 同時(shí)，樣品的循環(huán)氧化增重實(shí)驗(yàn)也表明，TC

12、11鈦合金有較大的氧化增重量，符合“直線-拋物線”型增長。而TC11鈦合金的改性涂層的增重量明顯小于合金基體，在三類防護(hù)涂層中，TiAlCrN具有最小的氧化增重趨勢，而TiAlN和TiAlN+Al2O3的氧化增重較為接近。上述三種涂層的氧化增重動(dòng)力學(xué)曲線符合“拋物線”型生長規(guī)律，用多元回歸分析計(jì)算得到相應(yīng)的氧化增重（△m）與氧化時(shí)間（t）的動(dòng)力學(xué)方程f（t）=K·t0.5+C，并通過相關(guān)系數(shù)法得以驗(yàn)證。 TC11鈦合金的改性涂