Ti-TiN-Zr-ZrN抗冲蚀多层膜的制备、结构及性能

Ti-TiN-Zr-ZrN抗冲蚀多层膜的制备、结构及性能在航空、航天、能源、机械和冶金等工程领域中,有许多材料(部件)因固体粒子冲蚀磨损导致失效。特别是随着航空航天等高新技术行业的日益发展,传统的结构材料难以满足抗砂粒冲蚀的要求。

利用气相沉积技术在工程部件表面制备防护涂层是解决该难题的有效途径

之一。国外已有将该气相沉积抗冲蚀硬质薄膜应用于航空发动机压气机部件的报道。

但我国在这方面起步晚,研究不系统,特别是表现在对硬质膜层的抗冲蚀行

为和失效机理缺乏理论指导;还没完全弄清楚膜层对基体材料疲劳性能的影响等。本文采用阴极电弧离子镀技术制备了Ti-TiN-Zr-ZrN软硬交替抗冲蚀多层膜,并系统研究了多层膜微观结构、残余应力和主要性能评价。

得出以下结果:1)在多层膜厚度相当条件下,随着周期数的增加,单一周期变薄,多层膜的表面光洁度和平整度、硬度、结合力及抗砂粒冲刷性能均有明显提升,而残余应力则呈降低趋势;随着钛基与锆基调制比(RTi/TiN:RZr/ZrN)的下降,残余应力呈增大的趋势,结合力也有所下降,硬度略有增加,而抗砂粒冲刷性能变化不明显;随着金属与金属氮化物调制比(RMe:RMeN)的增加,多层膜硬度有所下降,而结合力及抗砂粒冲刷性能变化不明显。本试验Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜的优化工艺为每周期约(200~300)nm,金属与金属氮化物调制比RMe:RMe N=1:6,钛基

与锆基调制比RTi/TiN:RZr/ZrN=2:1。

增加多层膜厚度,残余应力稳定在一定水平,结合力则由于支撑强度的增加

而呈上升趋势,当膜厚达到某一值(本试验为7.54μm)后,硬度基本稳定在30GPa 以上。2)Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜对基体材料有良好的抗砂粒冲蚀保护作用,增加

厚度,多层膜抗砂粒冲蚀的能力增强,并且低冲蚀角(30°)保护作用明显优于高冲蚀角(90°)。

TC11钛合金的砂粒冲蚀磨损机理属于塑性材料冲蚀机制,即在低冲蚀角条件下主要是砂粒的切削或犁削作用;而在高冲蚀角时则是材料因受砂粒冲击产生塑性变形后导致加工硬化,最终出现疲劳断裂剥落。Ti-TiN-Zr-ZrN软硬交替多层膜的冲蚀磨损机理为在应力集中区或液滴脱落坑萌生裂纹源并沿纵向扩展,当裂纹扩展到金属软层时应力得到缓冲吸收,从而使裂纹扩展方向改变为沿平行于层间界面横向扩展,当裂纹之间扩展相连时,部分膜层便从多层膜中片状分离出来,造成磨损,作者依此建立了软硬交替多层膜冲蚀失效机理模型。

3)Ti-Ti N-Zr-ZrN多层膜经300℃和500℃热冲击50次循环后,膜层保持完好,没有裂纹、起泡和剥落,只发生表面氧化而产生颜色加深及颗粒脱落现象,说明多层膜能够有效地保护基体材料。在600℃热冲击10次循环后试样表面均出现膜层因氧化而粉未化和裂纹扩展而分层剥落,膜层已经开始失效。

600℃热冲击50次循环后,厚度约10μm的Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜已经完全失效,而厚度约20μm的Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜仍未完全失效。因此,本试验所制备厚度>10μm的Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜使用温度≤500℃。

4)TC11材料经镀Ti-TiN-Zr-ZrN后疲劳极限由440MPa提高至470MPa,提高了6.8%。应力-疲劳寿命关系(S-N曲线)表明,在应力水平低于570MPa时,多层膜提高了TC11基材疲劳寿命,但当应力水平高于570MPa时,多层膜反而降低了

TC11基材的疲劳寿命。

对于TC11基材,裂纹源一般萌生于表面缺陷处,且裂纹源数量随应力水平升高而增多,断裂形式是韧性和解理混合型断裂。TC11经镀多层膜后,膜层覆盖基

材表面缺陷,在应力水平小于570MPa时,样品只有单一裂纹源,同时软硬交替调制结构的多层膜缓冲了裂纹的扩展,从而提高了试样的的疲劳寿命;在应力水平超过570MPa后,样品有多个裂纹源,多层膜破损严重,从而降低了疲劳寿命,断裂形式也是韧性和解理混合型断裂。

5)在同一工艺条件下,基体材料表面粗糙度对多层膜性能的影响很大:降低基体表面粗糙度,有利于改善膜/基结合力、抗冲刷能力和耐腐蚀性能。为了获得良好的膜层综合应用性能,待表面处理目标工件的表面粗糙度必须控制在

Ra<0.40μm。