钢表面溅射Ta-W涂层的烧蚀性能研究

苏 北，卢旭东

(沈阳理工大学 装备工程学院， 沈阳 110159)

热烧蚀成为影响火炮身管寿命的主要因素。国内火炮身管用钢材料主要为Cr-Ni-Mo-V中碳低合金系列钢[1]。身管内膛表面普遍采用电镀铬保护内膛，但电镀铬涂层存在诸如脆性较高、剪切强度和抗拉强度较低、镀铬层容易剥落及对环境有污染等缺点[2-3]。

迄今为止，国内外学者已经对火炮延寿问题做了大量研究[4-5]。万轶等[6]利用辉光等离子渗透法制备了渗钽层，对其烧蚀性能和耐蚀性能的研究表明，渗钽层能抑制C、N与基体结合引起的脆化，降低金属的熔融和气化作用。Matson等[7]以4340钢为基体制备的钽涂层在烧蚀工况下，通过改进制备工艺获得了较厚bcc相的钽涂层，降低了烧蚀影响。国外引入激光脉冲加热来研究身管内壁的热降解机制[8]，包括涂层中的冶金转变、热冲击裂纹和钢基体中的热损伤和界面退化。

本文利用磁控溅射技术在钢基体表面镀覆Ta-W涂层，在固体激光脉冲照射钢基体和Ta-W涂层后，分析两者表面激光烧蚀形貌和热效应，探究Ta-W涂层耐烧蚀机理。

1 实验部分

1.1 基体制备

将钢基体选用线切割法加工成20mm×10mm×4mm样品，用800#砂纸将样品进行机械研磨，研磨后用丙酮超声波清洗，烘干备用。

1.2 涂层制备

使用钽含量为90%(质量百分比，wt%)的钽钨合金为溅射靶材。利用QHV-JGP400BⅡ型号的多靶磁控溅射仪，在钢基体表面溅射厚度约为50 μm的Ta-W涂层。

1.3 激光烧蚀

用Beamtech Nimma-900固体脉冲激光器作为照射光源，对钢基体和Ta-W涂层进行烧蚀实验。脉冲能量为19.6MJ，波长1064nm，脉宽9ns，样品垂直固定于距离激光发射器40cm处。

2 实验结果及讨论

2.1 原始Ta-W涂层表面形貌

图1为在钢基体表面溅射Ta-W涂层的显微形貌。

图1 Ta-W涂层表面形貌

由图1可见，涂层表面结构致密，无明显裂痕。由于大功率沉积，涂层表面粗糙，因为磁控溅射固有的技术原因，会在钽钨合金表面生长形成形状大小不一的微量白色颗粒(如图1中标识1所示)。涂层表面经EDAX取样分析，涂层中Ta、W元素的质量分数比值均约为9∶1，分析结果列于表1。

表1 Ta-W涂层能谱分析

图2为Ta-W涂层截面形貌。由图2可见，涂层厚度约50μm，与钢材基体结合紧密，无明显空隙和裂纹；涂层内部没有孔隙和断痕，涂层晶粒呈柱状晶生长特征。

图2 Ta-W涂层截面形貌

2.2 钢基体和涂层样品烧蚀形貌

2.2.1涂层样品烧蚀形貌

图3是脉冲能量为19.6MJ条件下涂层样品的烧蚀形貌。

图3 涂层的激光烧蚀显微形貌

由图3可知，经脉冲激光照射烧蚀后，涂层表面产生直径约120μm的烧蚀区，烧蚀区边缘呈不规则剥落。可见，激光照射产生的热量在极短时间内将Ta-W涂层部分烧成熔融状态，同时激光的高能量使涂层下方的钢基体氧化体积增加，基体在烧蚀区及外延部分发生形变，对涂层产生由内而外的挤压力，而且涂层在氧化后脆性增加，塑性降低，最终导致烧蚀区域周围部分涂层脱落。熔融状态的Ta-W涂层，在烧蚀结束冷凝后，呈现不规则的螺纹状分布，在涂层烧蚀区域边缘白色结晶物为稳定态Ta2O5，烧蚀区域中黑色物质主要成分是α-Fe，含有少量Cr、Mo等氧化物。

图4为19.6MJ脉冲能量下Ta-W涂层形貌，是图3中A区域放大后的形貌。图4中B位于激光照射中心区域，此区域内涂层与基体元素相互扩散混合。点C、D、E逐渐远离中心区域。在靠近烧蚀的中心区域，含有少量的元素Mo，靠近烧蚀区域的边缘，元素Fe和Ta的含量升高，表明此处涂层被激光烧穿。

图4 19.6mJ脉冲能量下的涂层显微形貌

表2是图4中各点位置元素的含量。

表2 不同烧蚀点位置元素分布 at%

2.2.2钢基体烧蚀形貌

图5是钢基体经脉冲能量19.6mJ激光照射后的烧蚀形貌。

图5可见，由于激光脉冲能量高，使得被照射的钢基体区域经历了气化、熔融和凝固的过程。根据烧蚀程度的不同，烧蚀区域分为三层，外层烧蚀区域直径约400μm，中间烧蚀区域直径约240μm，中心烧蚀区域直径约80μm；靠近激光烧蚀的中心区域，烧蚀程度最为严重，出现烧蚀坑，随距离烧蚀中心区越远，烧蚀程度逐渐减弱。与图3涂层烧蚀相比，相同激光照射能量下，钢基体的烧蚀面积和烧蚀程度明显较涂层严重。

图5 钢基体的激光烧蚀形貌

3 讨论

涂层和基体在高能激光脉冲下都经历高温熔融、气化、凝固的过程，激光使部分金属气化，激光的热量透过涂层后引起涂层和钢基体的氧化反应。涂层经激光照射后，中心区域温度极高，远超过所有元素沸点，因而在激光照射的极短时间内，照射范围内涂层中的Ta、W元素金属迅速气化，形成灼热气流，高温熔融状态金属中的元素迅速氧化，形成Ta、W氧化物。经激光照射后涂层下方的基体中Fe、Mo、Cr等元素迅速发生氧化，并贯穿涂层到达烧蚀区域的边缘；其中钢材基体内Mo超过500℃迅速氧化,在生成MoO2之前，中间态氧化产物为Mo2O3、MoO和Mo3O。钢材基体内Cr在达到600℃迅速氧化后,生成的Cr2O3与α-Fe形成氧化混合物。W元素氧化生成WO3和WO2，高温状态的WO2在空气中很快形成WO3(沸点1750℃)，而WO3在850℃时会显著升华。在图4中的B、D点处，Fe富集，点E处Ta富集，说明在照射范围外边缘的金属全部熔化，呈熔融液体状。辐照中心温度超过Fe的沸点(2750℃)，达到沸点的Fe元素气化，气化的Fe迅速膨胀形成由涂层内表面向涂层外的热气流，推动熔融混合金属向外流动，熔融状态的混合金属在向外流动的过程中冷却氧化凝固，形成质地坚硬的氧化混合物。而气态元素遇冷后迅速凝结、凝固后下降沉积在涂层表面。在烧蚀区域外围，涂层因为相变产生裂纹，裂纹方向沿烧蚀区域周围分布，与Cote等[8]研究的155mm和122mm的镀铬炮管表面形成的裂纹分布情况具有相似性。有涂层与没有涂层的钢基体相比，冲蚀作用未发生在涂层表面。尤其是涂层内反应产物的膨胀作用将使部分涂层受应力作用剥落。

由于没有涂层保护，钢材烧蚀范围与涂层相比明显增大，烧蚀形貌呈现明显波纹状向外延展，这是由于Fe具有良好热传导效应，将照射点的高热量均匀向四周传导，呈现温度梯度，中心温度最高，逐渐向周围递减。涂层和钢基体的烧蚀区形状呈V形，如图6所示。

图6 激光烧蚀涂层原理

4 结论

经过照射能量19.6MJ激光照射烧蚀，涂层和钢基体都经历气化、熔融和凝固的过程。钢的熔化机制为快速侵蚀，Ta-W涂层减弱了激光对涂层的直接热冲击，在Ta-W涂层烧蚀区域中心氧化物为凝固后白色稳定的Ta2O5晶体，涂层通过高温相变吸收了部分辐照能量，缩小了激光烧蚀熔融范围，说明Ta-W涂层对基体具有一定耐烧蚀保护作用，但基体及涂层相变引起的体积变化导致基体与涂层间结合力降低，致涂层部分剥落。