涂层结构对Ti-Al-N涂层氧化行为的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华南理工大学材料科学与工程学院 作者:彭继华

  采用多弧离子镀技术及TiAl 合金靶, 在SKH51 高速钢基体上沉积了Ti1- xAlxN 单层构型涂层和TiN/Ti1- xAlxN 复合多层构型涂层, 分析其高温氧化行为。用扫描电镜、X 射线衍射、电子探针等手段表征了涂层氧化后的组织结构和元素分布。试验发现, 基体Fe 元素扩散到涂层表面意味着SKH51 涂层试样剧烈氧化阶段的开始。当涂层的构型相同时, 涂层的抗氧化性能随着涂层中铝含量增加而单调增加。但对于TiN/Ti0.33Al0.67N 复合多层构型涂层, 其抗氧化性则比Ti0.33Al0.67N 单层构型涂层差, 高于铝含量基本相同的Ti0.67Al0.33N 单层构型涂层。空气中800℃恒温退火, TiN/ Ti0.33Al0.67N 涂层出现严重氧化的时间是43 h, Ti0.33Al0.67N、Ti0.67Al0.33N 涂层分别为53 h 和11 h。因此, 真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为Ti-Al-N涂层的抗氧化性不仅同涂层中铝含量有关, 涂层构型也起着重要用。

  因为具有硬度高、耐磨性好、抗高温氧化的特点,Ti-Al-N PVD 涂层广泛应用于机械制造、航空发动机等领域。在先进制造领域, 为实现精密及环保加工, 不仅要求工模具涂层具有高硬度、高膜基结合力, 还需要具有高的热稳定性和抗氧化性。涂层结构的多层化、多元化及纳米复合多层化是改善涂层-基体结合力及抗高温氧化性的重要方法 。

  物理气相沉积(PVD) 涂层氧化的本质是氧元素向内扩散, 以及涂层、基体元素向外扩散。涂层成分、涂层构型设计, 甚至涂层的制备方法均影响着各种元素的扩散规律及涂层的耐氧化性。Ti-Al-N三元单层构型涂层中的铝含量增加可以提高涂层的抗氧化性。已有研究结果表明离子镀Ti-Al-N涂层的表面氧化首先开始于局部缺陷, 当基体元素扩散到氧化层表面时, 涂层失去氧化保护功能。同单层构型TiAlN 涂层比较, 磁控溅射制备的TiN/TiAlN 复合多层构型涂层经800 ℃ 退火后表面氧化层厚度明显变薄。那么, 是铝含量还是涂层构型在离子镀Ti-Al-N涂层抗氧化性能中起着主要的影响作用?

  本文采用多弧离子镀技术在SKH51 工具钢表面制备了两种不同构型的Ti-Al-N涂层, 即单层构型TiAlN 和复合多层构型TiN/TiAlN, 研究了基体元素Fe 在两种构型中的扩散行为, 从而分析Ti-Al-N涂层的构型对高温氧化行为影响的机理。

  (1)Ti-Al-N单层构型涂层发生1 h 严重氧化的温度随着涂层中铝含量的增加而单调增加。TiN 涂层的1 h 严重氧化起始温度约450℃ , 而Ti0.33Al0.67N单层构型涂层的1 h 严重氧化起始温度约900℃ 。

  (2) 800 ℃恒温氧化时, 不管是单层构型涂层还是多层构型涂层, 氧化动力学曲线明显分为两个阶段, 即缓慢氧化和快速剧烈氧化。剧烈氧化的起始时间随着涂层中铝含量增加而单调增加。当Ti1-xAlxN亚层的铝含量相同时, 则单层构型涂层的抗氧化性优于多层构型涂层; 如涂层中总体铝含量相同, 多层构型涂层的抗氧化性优于单层构型涂层。

  (3) SKH51 表面离子镀Ti-Al-N涂层时, 基体Fe元素扩散穿透Ti0.33Al0.67N 单层构型涂层需要的退火时间超过53 h; 但对于复合多层构型涂层TiN/Ti0.33Al0.67N, 仅需43 h。剧烈氧化阶段的开始同基体Fe 元素扩散到涂层表面密切相关。

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