电弧离子镀沉积TiN/AlN-TiAlN 复合膜的耐磨性

李争显，王少鹏，潘晓龙，杜继红，王宝云，严 鹏

（西北有色金属研究院腐蚀与防护研究所，陕西西安710016）

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能优异、中温性能稳定等优点，使其在航空工业具有广阔的应用前景[1]。但钛合金的摩擦系数大，抗粘着磨损性能差，在作为磨损部件时，容易造成部件的磨损失效[2]。因此，为提高钛合金的耐磨性，延长钛合金部件的使用寿命，必须对钛合金进行表面改性处理。

电弧离子镀技术（Arc Ion Platnig，简称AIP)，是将电弧等离子体应用于表面领域的一种先进的薄膜沉积技术。具有沉积速度快、绕镀性好、膜与基体结合力高、膜层致密性好、基材温度低等优点[3~5]。利用电弧离子镀技术在钛合金表面沉积硬度高的氮化物膜层，可增加钛合金的表面硬度，改善钛合金的耐磨性，同时对钛合金基材的性能影响很小。

本文以高纯的Ti和Al作为靶材，采用电弧离子镀技术，通过控制相应的工艺参数，在钛合金TC4表面沉积了TiN/AlN-TiAlN复合膜层，对比研究了复合膜层和TC4基材的硬度及耐磨性。

1 试验材料及方法

试验用基材为西北有色金属研究院生产的TC4合金，经机加工成30 mm×30 mm×5 mm的试样片。电弧离子镀靶材采用纯度为99.99%的铝靶和钛靶。镀膜前试样经机械打磨、抛光、清洗。沉积设备为SP-0810AS型多功能真空镀膜机。沉积时，将试样装夹在试样架上，试样架以一定的速度转动，使试样在不同的时间面向不同的靶材。试样面向Ti靶时，在试样表面沉积TiN层；而面向Al靶时，可在试样表面沉积AlN层；在两个靶之间时，可沉积TiAlN层。通过合理的控制试样架的转速及沉积工艺参数，在TC4试样表面沉积TiN/AlNTiAlN复合膜层。用HV-1000型显微硬度计，测量了复合膜层的表面硬度，测试条件为：维氏压头，载荷0.245N，保载时间15s。用BD-2型球盘磨损试验机对比研究了复合膜层和TC4基材的耐磨性，测试条件为：直径5 mm刚玉球配副、压力5N、磨痕轨迹直径Ф20 mm、干摩擦（无润滑），利用磨损失重表征耐磨性，并用扫描电镜观察了复合膜层的磨痕形貌。

2 结果及讨论

2.1 膜层的表面硬度

图1 膜层与基材的表面硬度对比

图1为采用电弧离子镀工艺沉积的TiN/AlN-TiAlN复合膜层的显微硬度测试结果，硬度值为同一个试样5个测量数据的平均值。从硬度测量结果可以看出，电弧离子镀工艺沉积的TiN/AlN-TiAlN复合膜层的硬度为2 856 HV，硬度值远远高于TC4基材，约是基材的8.9倍，表面硬度得到了明显的改善。

TiN和AlN同属立方结构，TiAlN是在TiN的基础上发展起来的，其结构保持TiN的立方结构，部分Ti原子由铝原子替代。由于TiN、AlN和TiAlN三者同属立方结构，在复合膜层沉积过程中，由于在界面处共格生长产生畸变能，增加了位错运动的阻碍作用，从而提高了膜层的硬度。另外，TiN和AlN在弹性模量上存在较大差异，TiN为590 kN/mm2，AlN为350 kN/mm2，TiAlN的弹性模量介于两个之间，由于弹性模量的较大差异，将阻碍位错线沿界面穿过[6~8]，有利于改善复合膜层的硬度，所以采用电弧离子镀沉积的TiN/AlN-TiAlN复合膜层的显微硬度，达到2 856 HV的超硬程度。

2.2 膜层与基材的摩擦性能

图2为电弧离子镀工艺沉积的TiN/AlN-TiAlN复合膜层和TC4基材磨损失重结果对比。其测试方法采用球盘磨损方式，配副为刚玉球。复合膜层试样及TC4基材试样作为盘试样，固定不动，刚玉球试样以一定的速度在盘试样表面做圆周滑动，球试样不转动，在球和盘之间产生滑动磨损，其接触方式为球—平面接触。测试时，复合膜层试样及TC4基材试样采用相同的规格，测试时间为30 min，测试完成后采用失重表征耐磨性。从图2可以看出，在30 min的磨损测试时间内，TiN/AlN-TiAlN复合膜层试样的磨损失重为0.38 mg，TC4基材试样的磨损失重为3.01 mg，复合膜层试样的磨损失重约是基材的1/8。从磨损失重结果来看，在TC4表面沉积TiN/AlN-TiAlN复合膜层后，耐磨性得到了明显改善。

图2 基材和复合膜层的耐磨性

图3 基材和复合膜层的摩擦系数

图3为TiN/AlN-TiAlN复合膜层试样及TC4基材试样的摩擦系数随磨损测试时间的变化曲线。从图中可以看出，TiN/AlN-TiAlN复合膜层试样，在起始跑和阶段摩擦系数呈增加趋势，在摩擦测试约100 s后，摩擦系数达到峰值，约为0.63，随后呈线性下降，在约200 s后，摩擦系数基本稳定，呈缓慢下降趋势，其值基本在0.55～0.60之间变化。TC4基材试样的摩擦系数随磨损时间的变化曲线，基本同TiN/AlN-TiAlN复合膜层试样的相似，在稳定阶段其值在0.46～0.51之间变化，但其呈缓慢增加趋势，稳定阶段的摩擦系数低于TiN/AlN-TiAlN复合膜层试样。

图4 Ti N/Al N-Ti Al N复合膜的磨损形貌

图4为TiN/AlN-TiAlN复合膜层试样的磨痕表面形貌。可明显观察到磨粒磨损产生的“犁沟”现象。同时，可观察到谷底存在细小的磨粒，其磨损方式主要以磨粒磨损为主，但在磨痕形貌中，也可观察到细小的粘着坑，说明其也存在微弱的粘着磨损。另外，沉积复合涂层的试样，在本文采用的磨损测试条件下，磨损30 min中，涂层未磨穿，证明复合膜层具有良好的耐磨性。

一般情况下，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条有效途径。电弧离子镀沉积TiN/AlN-TiAlN复合膜层后，由于TiN、AlN和TiAlN在界面处的共格生长产生的畸变能及不同相结构间弹性模量的差异，在界面处增加了位错运动的阻力，从而使复合膜层的硬度达到了超硬的水平。所以沉积复合膜层的耐磨性相比TC4基材，有大幅度的改善。TiN/AlN-TiAlN复合膜层硬度高，相应的其脆性也较大。在磨损测试过程中，膜层容易产生脆性氮化物磨屑，其部分排出球盘接触区域之外，部分存在接触区域之间，作为磨粒使复合膜层产生磨粒磨损。电弧离子镀工艺沉积的膜层，在沉积过程中，靶材熔化的液滴会沉积到试样表面，在膜层中形成微“颗粒”，这些颗粒增加了膜层表面的粗糙度，从而沉积复合膜层的摩擦系数比TC4基材略有增加。

3 结束语

（1）采用电弧离子镀工艺在TC4表面沉积TiN/AlN-TiAlN复合膜层的硬度达到超硬程度，其值为HV2856；约是TC4基材的8.9倍；

（2）电弧离子镀沉积的TiN/AlN-TiAlN复合膜层的磨损失重约是TC4基材的八分之一，沉积复合膜层后，耐磨性得到了明显的改善；

（3）电弧离子镀沉积TiN/AlN-TiAlN复合膜层后，摩擦系数相比TC4基材略有增加，在稳定阶段其值在0.55-0.60之间变化；

（4）电弧离子镀沉积的TiN/AlN-TiAlN复合膜层在配付为刚玉，在球盘磨损的考核方式下以磨粒磨损为主，并伴随有微弱的粘着磨损。

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