Ti6Al4V表面沉积TiCN薄膜的结构及水环境中的摩擦学性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江西理工大学材料科学与工程学院 作者:钟华生

  本文采用多弧离子镀技术在Ti6Al4V 合金表面沉积TiCN防护薄膜,研究该薄膜在干摩擦,水及海水介质条件下的摩擦学行为。研究结果显示,所制备的TiCN 薄膜具有均匀致密的结构,薄膜厚度约为1 μm。薄膜成分主要含有Ti、N 和C,并含有少量的O。C 主要为污染碳和TiC 的形式,N 为TiN 的结构,Ti 主要以TiN、TiC 和TiO 三种价态形式存在。薄膜的硬度达到20 GPa,在大气环境中薄膜摩擦系数约为0.35,明显低于未镀膜钛合金的摩擦系数( 0.7) 。镀膜样品的磨损率显著降低,未镀膜样品的磨损率是镀膜样品的132 倍。水和海水环境下TiCN 膜的摩擦系数进一步降低至0.2 左右,同时磨损率也显著降低。与水环境相比,海水环境中TiCN 薄膜的磨损率略有增加。

  钛合金具有高的比强度,耐高温,耐腐蚀等优异性能而广泛应用于航空航天及海洋新材料领域。但是钛合金硬度不高,耐磨性不理想,特别是在高端及苛刻工况条件下应用,必须要对其表面进行防护处理,以提高其使用寿命。多弧离子镀技术沉积制备的薄膜具有高的离化率和膜基结合强度而得到广泛应用。钛合金表面通过物理气相沉积技术沉积耐磨防护薄膜的研究已有一些报道,研究结果显示制备的薄膜可显著提高该合金的耐磨性能。但真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过调研发现有关研究水和海水环境中离子镀膜钛合金的耐磨蚀性能还少有报道。本文即采用多弧离子镀技术在Ti6Al4V 合金表面沉积TiCN 薄膜,研究了该薄膜的形貌、结构以及在干摩擦、水和海水环境条件下的摩擦学行为。

1、实验方法

  1.1、TiCN 薄膜的制备

  实验采用Hauzer Flexicoat F850 型真空多弧离子镀膜机,基体材料选用Ti6Al4V 合金。镀膜前钛合金基体进行研磨抛光处理,然后在丙酮溶液中超声波清洗三次,每次时间5 min。镀膜温度为450℃,本底真空度为1 × 10-3 Pa。采用高纯钛靶沉积Ti 过渡层,在沉积TiCN 薄膜时通入N2和C2H2气体混合气体,氮气流量为500 mL/min( 标准状态) ,而乙炔流量从0 增加到42 mL/min,为保证TiCN 薄膜中C含量渐变增加。靶功率60 A,基体偏压为70 V。

  1.2、薄膜的表征和测试

  采用场发射扫描电子显微镜( SEM S4800,日本Hitachi) 观察试样表面形貌以及横截面形貌。用日本岛津X 射线光电子能谱( XPS) 对薄膜进行元素价态分析,薄膜的硬度采用美国MTS 公司G200 纳米压入仪进行测试。摩擦磨损试验在往复式多功能UMT-3 摩擦磨损试验机上完成。摩擦试验加载载荷为1 N,频率5 Hz,摩擦时间30 min,摩擦长度为5mm。摩擦副为直径为3 mm 的Si3N4陶瓷球。使用台阶仪测试磨痕轮廓形貌,利用SEM 和能谱( EDS)观察磨痕形貌和成分。

3、结论

  (1) 采用多弧离子镀在钛合金(TC4) 表面制备了TiCN 薄膜,薄膜表面和横截面形貌显示膜层非常致密,薄膜厚度约为1 μm。

  (2) 制备的薄膜主要含有Ti、N 和C 成分,并含有少量的O,各元素的原子百分含量为Ti 50%;N36% ;C 9%;O 5%。C 主要为污染碳和TiC 的形式,N 为TiN 的结构,Ti 主要以TiN、TiC 和TiO 三种价态形式存在。

  (3) 薄膜的硬度达到20 GPa,在大气环境中薄膜摩擦系数约为0.35,明显低于钛合金基体的摩擦系数。镀膜样品的磨损率显著降低,未镀膜样品的磨损率是镀膜样品的132 倍。

  (4) 与大气环境相比,水和海水环境中镀膜钛合金的摩擦系数进一步降低值0.2 磨损率也降低。与水环境相比,海水环境中的磨损率略有增加。

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