高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层对钛合金基体抗氧化性能的影响研究

• 作者: 李玉阁 朱小鹏 吴彼 雷明凯
• 来源期刊: 表面技术
• 学科: 工学
• 关键词: TiAlSiN纳米复合涂层 高功率调制脉冲磁控溅射 钛合金 抗氧化
• 年，卷（期）: 2020,（12）
• 所属期刊栏目: 表面失效及防护
• 页码范围: 220-227
• 页数: 8页
• 分类号: TG174.4
• 语种: 中文
• DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.025

摘要

目的 研究Ti6Al4V基TiAlSiN涂层在800℃下的抗循环氧化性能.方法 采用高功率调制脉冲磁控溅射技术,通过调节N2/Ar的流量比fN2,在Ti6Al4V合金和Si(100)上沉积了一系列不同Si含量的TiAlSiN涂层.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子探针、透射电镜和纳米压痕仪,表征了TiAlSiN涂层的成分、相组成、微结构和硬度,并通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜,进一步对TiAlSiN涂层在800℃下循环氧化后的微观结构和形貌进行分析.结果 脉冲平均功率为2 kW时,fN2由10％增至30％,TiAlSiN涂层的Si含量(以原子数分数计)由6.1％增加至16.4％,涂层中Ti和Al含量则相应地降低.当fN2为10％时,TiAlSiN涂层呈现典型的X射线非晶结构特征,涂层中N含量(以原子数分数计)约为47％;当fN2为30％时,TiAlSiN涂层呈现TiAlN和非晶相的混合结构.TEM结果表明,涂层中TiAlN晶粒尺寸约为5 nm并均匀镶嵌在非晶相上.所有沉积于Si基底上的TiAlSiN涂层均具有相近的纳米硬度、弹性模量及残余应力,分别为17 GPa、225 GPa和–300 MPa.选取fN2为10％和25％,溅射具有不同氮含量和特征微结构的TiAlSiN涂层作为Ti6Al4V合金防护涂层,研究涂层的抗循环氧化性能.在800℃高温循环氧化70 h后,TiAlSiN涂层保护的合金样品较原始样品呈现更优异的抗氧化性能,且fN2为25％制备的高Si含量TiAlSiN涂层较fN2为10％制备的涂层具有更为优异的抗循环氧化性能.循环氧化后,TiAlSiN氧化层结构完整致密并呈现柱状晶特征,氧化层由上至下分别形成富 α-Al2O3、a-TiO2及r-TiO2三层结构.结论 高Si含量的TiAlSiN涂层具有更低的氧化速率,涂层的纳米复合结构和低压缩应力是其抗循环氧化能力提高的主要原因.