Ti0.33Al0.67N复合梯度膜层的高温抗氧化性能.pdf

啊百葡旺石 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．2 0 9 5 1 7 4 4 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 1 T i 岫3 A l 吣7 N 复合梯度膜层的高温抗氧化性能 豳张会霞1 战宏伟2 1 ．淮海工学院机械工程学院江苏连云港2 2 2 0 0 5 2 ．江苏绿源工程设计研究有限公司江苏连云港2 2 2 0 0 0 摘要研究梯度T ‰，A 1 。。，N 膜层与其他膜层的高温抗氧化性能结果表, 4 0 C r 基体在3 0 0 ℃时已出现明显氧化。 T i N 膜层在5 0 0 ℃左右时开始出现氧化现象导致膜层硬度膜基结合力等性能显著下降在8 0 0 ℃的氧化环境中， 梯度T ‰，A 1 。。，N 膜层性能最佳，T i N 膜层出现明显氧化现象．4 0 C r 基体氧化现象十分严重。梯度T ‰。A l ，N 膜层的高温抗氧化性能比4 0 C r 基体和T i N 膜层优异，涂层适合应用于高温环境。 关键词材料科学与工程；复合梯度膜层；抗氧化性能；T i 。3 ，A 1 ，N 中图分类号T G l 7 4 ．4 4 ；T G l 4 6 ．2 1文献标志码A文章编号2 0 9 5 1 7 4 4 2 0 1 3 0 1 0 0 1 8 0 3 齿轮由于其运动状况复杂，常受断齿、破坏胜点蚀和 破坏性齿面胶合[ 1 - 6 ] 等损伤，从而导致使用寿命缩短。齿 轮在运行过程中，啮合齿面之间既有滚动摩擦又有滑动摩 擦，这就要求齿轮表面有较高的硬度及耐磨性。虽然大气 环境下未镀膜、镀T i N 膜及镀T b ，A 1 ㈣N 复合膜的腐蚀陛 能相近，但由于齿轮工作过程中表面摩擦产生的高温导致 表面易氧化，要求齿轮表面具有较高的抗氧化性能”4 J 。梯 度T ‰，A l o 。，N 复合膜层的形貌、硬度都优于未镀膜4 0 C r 基体和T i N 膜层，梯度T ‰，A 1 0 6 ，N 复合膜层的膜基结合 力也大于T i N 膜层。因而，采用表面强化技术获得具有高 硬度、良好耐磨性能的陶瓷膜层的方法得到广泛应用[ 9 - 1 2 ] o T i A l N ／T i N 薄膜具有很高的热稳定性和高温抗氧化性能， 同时具有高的硬度和耐磨损性能，是一种理想的适合高温 环境的超硬耐磨材料。 1 实验方法 试样尺寸制成外径为5 4m m ，内径为3 8m m ，高为 1 0m m 的圆环试件。摩擦工作面的粗糙度月。为0 ．4p m ，其 他面粗糙度R 。为0 ．8 m 。膜层抗氧化性考察分为两组进 行。第一组，将梯度T b ，A l 嘶，N 膜层、T i N 膜层和未渗氮镀 膜的4 0 C r 基体3 种试样称重后放人马弗炉中，加热到不 同的氧化温度下保温1h ，空冷至室温后取出称重，通过 增重率分析膜层的氧化情况。第二组，在第一组的基础上， 设定温度 8 0 0 ℃ ，在炉内保温2h ，空冷至室温后取出称 重。观察试样表面形貌，分析T ‰，A 1 ，N 膜层组织成分的 变化。 2 试验结果及分析 2 ．1 不同温度下试样的抗氧化性能 取形状、尺寸与膜厚均相同的梯度T ‰，A l ，N 膜 层、T i N 膜层试样和未渗氮镀膜的4 0 C r 基体3 种试样称重 后放入马弗炉中，在马弗炉内加热到3 0 0 ℃烘干水分至恒 重，称取初始重量。之后进行8 0 0 ℃空气气氛保温2h 取出， 在空气中冷却至室温，不同温度条件下，三种试件的形貌 对比如图1 和图2 所示。 基金项目江苏省海洋资源开发研究院2 0 1 1 年度开放基金项目 J S I M R l1 C 2 7 收稿日期2 0 1 2 0 6 1 6 作者简介张会霞 1 9 7 5 一 ，女，江苏连云港市人，讲师，硕士， 主要从事机械设计和摩擦学等方面的研究。 18 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 b - T i N 图1 未镀膜、镀T i N 膜及镀T b ，A I 。N 复合膜试样3 0 0 。C 时形貌对比 图2 未镀膜、镀T i N 膜及镀T i ”，A l 。。。N 复合膜试样9 0 0 。C 时形貌对比 试样在不同温度时保温1h 后膜层的增重率如图3 所 示。显而易见，只进行离子渗氮的基体在3 0 0 ℃时已经开 始出现氧化增重，当温度升高时，其氧化增重的数值变大 且速度加快。当温度达到6 0 0 ℃时，其增重率已经明显较 大，可以认为此时试样表面已经被充分氧化。在渗氮之后 镀覆T i N 膜层的试样在3 0 0 - 4 0 0 ℃时膜层质量没有变化， 此时试样几乎没有氧化痕迹，当温度升高到5 0 0 ℃时，膜 层的氧化率开始缓慢上升，此时出现氧化现象，当温度高 于6 0 0 ℃时，氧化增重率明显增大，表明氧化速度加快，当 温度升至9 0 0 ℃时，膜层被充分氧化。采用渗氮加梯度镀 覆T ‰，A l 。。N 的膜层，当氧化在3 0 0 ℃到6 0 0 ℃时，其质 量几乎不变，无氧化现象，在温度7 0 0 ℃左右时，质量有轻 微增加，氧化增重速度较小，当温度上升至8 0 0 ℃时，增 重率并不大，说明氧化现象较轻，膜层具有良好的抗氧化 性能。 镀T i ∽，A l 。。。N 复合膜试样随着温度的升高，增重率 最低。T ‰，A l ，N 试样的增重是由于复合薄膜中铝与钛等 元素的氧化反应引起，反应式为2 T i 。，，A I 。。，N I ．6 6 5 0 一 0 ．6 6 T 1 0 2 0 ．6 7 A 1 2 0 3 N ，。 2 ．2 氧化环境下8 0 0 ℃试样抗氧化性能 三种试样在8 0 0 ℃环境下的形貌对比如图4 所示，显 而易见，在8 0 0 ℃的氧化环境中，梯度T ‰，A 1 ㈣N 膜层性 能良好，T i N 膜层出现明显氧化现象，4 0 C r 基体氧化现象十 分严重。 图3 不同氧化温度下膜层试样增重率 在8 0 0 ℃下空气氧化试验，保温2h 后取出，空冷至 室温，称取其氧化后的质量。试样增重率如表1 所示。观 察8 0 0 ℃温度下各个试样的形貌可以看出，未镀膜的试样 在8 0 0 ℃时表面氧化十分严重，表面生成较厚的氧化皮，且 该氧化皮已经部分脱落开裂，对基体而言无任何保护作用， 硬度、膜基结合力等性能明显下降。计算其增重率大约为 0 ．5 3 6 ％。当A 1 含量为0 时，在8 0 0 ℃的温度下薄膜表面已 完全被氧化，相比未氧化之前的金黄色，氧化后膜层颜色变 化较大，呈暗棕色，且膜层表面液滴尺寸变小，说明液滴中 的原子在8 0 0 ℃时已经被扩散氧化，膜层增重率为0 ．2 6 8 ％。 当靶材中钛和铝含量比为l 2 时，在8 0 0 ℃时膜层表面无 明显氧化痕迹，颜色变化很小，膜层完整，没出现开裂现象， 增重率仅为O ．0 9 6 ％，表现出较强的抗氧化眭能。 有色金属工程2 0 1 3 年第1 期1 9 万方数据 _ 看么企尾工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G 采镀骥镀T i N 膜镀悌度T j 。。A l 。，一N 憷 图4 未镀膜、镀T i N 膜及镀梯度T ‰，A l 。。，N 膜试样8 0 0 。C 时形貌对比 表1 试样在8 0 0 。C 环境下的增重率T i N 膜层出现明显氧化现象，4 0 C r 基体氧化现象十分严重。 2 ．3 氧化后膜层表面E D S 分析 对空冷至室温的试样表面进行E D S 分析，结果 如表2 所示。与T i N 膜层比较后发现，在试样表面镀覆 T b ，A l 。，N 膜层后，其抗氧化性能更佳。从反应式与E D S 分析中可以看出，向靶材中添加A l 元素后，膜层表面元素 为氧、铝和钛。表明T b ，A l ，N 膜层在氧化过程中已经被 氧化分解，不仅生成T i O ，还伴随着A l 0 ，。随着氧化的 进行，膜层中产生的A I O ，与T i O 不断增多，连续又致密 的A I O ，保护层使氧元素难以向内与向外继续扩散，因此 梯度T b ，A l ，N 膜层的抗氧化性能要比4 0 C r 基体材料和 T i N 膜层优越许多。 表2 氧化后膜层表面E D S 分析 3 结论 梯度T ‰，A I ，N 膜层的高温抗氧化性能比4 0 C r 基体 和T i N 膜层优异，涂层适合应用于高温环境。4 0 C r 基体在 3 0 0 ℃时已出现明显氧化。T i N 膜层在5 0 0 ℃左右时开始出 现氧化现象，导致膜层硬度、膜基结合力等性能显著下降。 在8 0 0 ℃的氧化环境中，梯度T ‰，A l 嘶。N 膜层性能最佳， 参考文献 [ 1 ] 徐滨士，朱绍华．表面工程的理论与技术【M ] ．北京国防 工业出版社，1 9 9 9 7 - 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