1、引言
表面涂层技术可有效提高钛合金的表面防护性能，同时保持基体的优良性能。磁控溅射法具有沉积速度快、涂层致密、膜基结合力强以及过程可控性佳等优点,已成为金属涂层制备的主流方法之一。钼(Mo)材料具有优异的硬度、优良的耐磨和耐腐蚀性能，是一种理想的钛合金涂层材料。本文将揭示涂层与基体间性能的区别和优势,为拓展钛合金的应用领域、降低高端设备的运行成本提供金属涂层制备和性能优化的理论依据。
2、实验材料与方法
2.1实验材料与设备
(1)基体与靶材。
本文以 TC21钛合金锻件为研究对象,其化学成分及含量为: Al5.2%~6.8%, Zr1.6%~2.5%, Sn1.6%~2.5%,Mo2.2%~3.3%,Cr0.9%~2.0%,Nb1.7%~2.3%,余量为 Ti。利用电火花线切割加工出 31mm-20mm-3mm试件。靶材料选择纯度为 99.99%的钼靶,尺寸与磁控溅射设备适配。
(2)实验设备。
主要实验设备有:高真空多靶磁控溅射仪 JCP-350M2(北京泰科诺), FEIQUANTFEG1300扫描电镜(附能谱图,美国 FBI), BRUKERX射线衍射仪(德国布鲁克), Qness Q10全自动硬度仪(奥地利 Qness), MFT-5000多功能摩擦磨损试验机(美国Rtec),BRUKER-NPFLEX(德国布鲁克公司)。
2.2 实验方法
(1)基体预处理。
基材前处理流程为:用 400#~2500#梯度金相砂纸逐次打磨钛合金表面,去除氧化皮和表面划痕;用无水乙醇对抛光基材进行超声清洗 30min,使抛光基材表面的油污和杂质完全去除;在 60℃的真空干燥箱内干燥10min后,密封保存,待用;试验前先用无水酒精进行超声洗净 20min,后干燥以保证表面的洁净。
(2)磁控溅射涂层制备。
采用磁控溅射法制备 Mo涂层,基于可控变量的设计思想,在真空室压强为 0.6Pa、沉积时间为 40min、氩气流量为 0.6 sccm的条件下,通过调节沉积温度和溅射功率,构建镀层的工艺参数矩阵,如表 1、图 1所示。
表1磁控溅射工艺参数水平设计
| 工艺参数 | 水平1 | 水平2 | 水平3 |
| 沉积温度 / ∘C | 250 | 300 | 350 |
| 溅射功率/W | 120 | 150 | 180 |
(3)性能测试与表征。
微观形貌和成分分析:利用扫描电镜观察涂层表面形貌和磨损形貌,借助能谱分析涂层中元素的百分数分布,利用 ImageJ软件计算孔隙率。相结构表征:在铜靶, θ − 2θ扫描模式下, 20 ∘ ∼ 90 ∘扫描, 7 min的扫描范围, X射线衍射仪(XRD)对物相进行分析;显微硬度试验:采用QnessQ10全自动硬度仪,选择 100 g的维氏硬度测定方式,每样取 5个不同的测点,取其平均硬度作为最终硬度值;采用 MFT-5000型多功能摩擦磨损试验机,采用球-盘接触方式,采用直径 ϕ4.75 mm的球作为上摩擦副,室温 25 ∘C,湿度 30% ∼ 40%,频率 3 Hz,载荷 7 N,试验时间20分钟;根据下面的公式,用 BRUKER-NPFLEX非接触三维形貌扫描器测量磨耗体积。
式中: K为比磨损率 (mm3.N−1.m−1) ; W v 为磨损体积 (mm3) ; P为法向载荷(N); S为滑动距离(m)。
3、实验结果与分析
3.1涂层制备工艺优化
(1)最优工艺参数确定。
通过对镀层沉积速度、致密度和结合力的系统研究,确定了 Mo涂层的最佳工艺参数,如表 2所示。
表2优化后的 Mo涂层制备工艺参数
| 涂层类型 | 溅射温度 | 溅射功率 | 沉积时间 | 氩气压力 | 涂层厚度 |
| ∘C | W | min | Pa | μm |
| Mo涂层 | 350 | 180 | 40 | 0.6 | 1.2±0.1 |
(2)工艺参数影响规律。
在沉积温度不变的情况下,提高溅射功率可以加快钼原子的溅射速度和沉积速度,镀层中 Mo元素的含量逐渐增加;但过高的功率会使基体受到粒子轰击的影响更大,表面粗糙度增加。在功率为 180W的情况下,镀层的致密性和元素的质量分数达到了理想的平衡,涂层的综合性能最佳2]。
将真空室的气压设定在0.6Pa时，在适当的等离子体浓度下,钼原子可获得足够的动能,在避免过多原子碰撞引起的动能损失的情况下，获得足够的致密度;当压力超过这一数值时，沉积速度降低、孔隙率增加。
3.2涂层微观结构与物相分析
(1)微观形貌。
扫描电镜观察表明，TC21钛合金基体经过预处理后表面平整，并留下均匀的机械磨纹。在最佳工艺条件下,镀层表面呈亮银色,均匀分布,无明显缺陷;从断面
上看,镀层与基体的界面清晰、连续,无气孔、裂纹等缺陷,说明镀层与基体具有良好的结合。通过ImageJ软件计算孔隙率,所有样品的孔隙率都在5%以下。
(2)物相组成。
如图2所示,谱分析表明镀层中 Mo含量在 90%以上,而9号试样钼和钛的含量分别为 96%和 1.49%。 X射线衍射结果表明,镀层的主要衍射峰分别与钼单质相一致,具有明显的(110)晶面择优取向,未发现 Mo-Ti化合物及其它杂相。基体衍射峰为 α-Ti和 β-Ti相,表明镀层与基体之间没有发生明显的界面反应，镀层的物相组成较纯。
3.3涂层与基体性能对比
(1)显微硬度。
图 3结果表明,TC21钛合金基体显微硬度平均为320 HV。与基体相比, Mo涂层的显微硬度最高484HV,较基体(340HV)提升 42.4%;其主要原因是磁控溅射制备出了致密的细晶层，根据霍尔-佩奇关系，细晶强化效应使得涂层的硬度显著高于粗晶基体。
(2)摩擦磨损性能。
表2所示为摩擦磨损实验结果,可见TC21钛合金基
体摩擦系数为 0.395,比磨损率达 2.807 mm3.N−1⋅m−1; Mo涂层试样中,仅 1号试样 (250 ∘C、120W)摩擦系数(0.376)略低于基体,其余试样摩擦系数均高于基体,但所有涂层试样比磨损率均实现显著降低。9号试样 (350 ∘C、180 W)摩擦系数为 0.573,比磨损率低至 0.005mmmm3.N−1⋅m−1,较基体降低约560倍，耐磨性能最为优异。
表2涂层与基体摩擦磨损性能对比
| 样品类型 | 摩擦系数 | 比磨损率 mm3.N−1.m−1 | 比磨损率 降低幅度/% |
| TC21基体 | 0.395±0.02 | 2.807±0.15 | - |
| Mo涂层(250℃、120W) | 0.376±0.02 | 1.836±0.08 | 34.6 |
| Mo涂层 (300 ∘C、150W) | 0.581±0.03 | 0.013±0.001 | 99.5 |
| Mo涂层(350℃、180W) | 0.573±0.03 | 0.005±0.001 | 99.8 |
4、涂层强化机制与磨损机理分析
4.1涂层强化机制
(1)细晶强化。
磁控溅射法是利用高能原子在钛合金表面快速沉积和长大，快速的沉积结晶过程，形成纳米级的细晶结构。根据霍尔-佩奇关系式,材料的硬度和晶粒大小成反比,细晶结构阻止了涂层内位错的移动,使硬度大大提高:
σy = σ0 + kdd-1/2
式中: σ y 为屈服强度; σ 0 为位错摩擦应力; k d 为细晶强化系数;d为晶粒尺寸。 Mo涂层晶粒尺寸均在 40~80nm之间,细晶强化成为涂层硬度提升的核心机制。
(2)结构致密化强化。
通过优化制备工艺,制备出致密、无孔隙的 Mo涂层,有效阻隔了磨粒侵入和应力传递,降低了涂层剥落和失效。与晶粒结构疏松的钛合金相比,密实涂层可以在摩擦过程中形成连续的润滑传递膜,降低摩擦系数,进一步提高耐磨性 [3]。
4.2磨损机理分析
钛合金基体摩擦磨损主要表现为粘着磨损。其本质是高表面能，在摩擦过程中易与摩擦副发生物质迁移，形成粘着点进而撕裂，从而导致严重磨损。相比之下，钼涂层在摩擦过程中表面会生成一层薄而连续的氧化膜(MoO3),该氧化膜具有一定的润滑性,可有效降低摩擦系数，其磨损机理向微磨粒磨损转变。同时，镀层良好的韧性可起到缓冲作用，防止镀层开裂和脱落。此外，钼膜在磨损过程中会生成致密的氧化物膜，该膜具有高硬度和高耐磨性，能有效阻止磨副和涂层之间的直接接触[4]。
5、结束语
综上所述,本文以TC21钛合金为研究对象,采用磁控溅射技术,在真空室内压力0.6Pa、沉积时间40min、沉积温度350℃、溅射功率180W的工艺条件下,镀层中Mo原子含量达到96%、孔隙率小于5%且与基体结合牢固。优化工艺制备的钼层较基体硬度高达484HV(340HV),硬度提高42.4%,其中以细晶强化和组织致密化为主。同时,Mo涂层显著改善,该磁控溅射Mo涂层有效弥补了TC21钛合金表面硬度低、耐磨性差的缺陷,可为其在摩擦工况下的工程应用提供可靠的技术解决方案。
参考文献
[1]姚泉.制备工艺对钛合金表面TiO2涂层微观结构与性能的影响[D].湖南工业大学,2024.
[2]谭宇佳.钛合金表面磁控溅射TiZrN涂层的制备及其性能研究[D].西安理工大学,2021.
[3]吴彼.钛合金表面二硼化钛涂层制备及其摩擦学行为研究[D].中国科学技术大学,2021.
[4]曹珍恩.TC4钛合金表面磁控溅射不锈钢薄膜制备及性能研究[D].哈尔滨工业大学,2007.
（注，原文标题：钛合金表面磁控溅射涂层制备及性能研究_岳汪洋）
无相关信息
