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Si和Y掺杂对(Ti,Al)N和(Cr,Al)N涂层结构及性能的影响

范永中  
【摘要】:本文采用磁控溅射技术在压气机叶片用1CrllNi2W2MoV热强不锈钢基体上沉积了(Ti,Al)N与(Ti,Al,Si,Y)N、(Cr,Al)N与(Cr,Al,Si,Y)N硬质涂层。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱分析(EDS)、 X射线衍射(XRD)、显微硬度计、划痕仪等技术和设备,研究了基体偏压和Si、Y掺杂对涂层的沉积速率、成分、相结构、力学性能(硬度及结合强度)和抗氧化性能的影响。 分别在未施加偏压和施加-100V偏压条件下,利用磁控溅射技术沉积了(Ti,Al)N和(Ti,Al,Si,Y)N硬质涂层。实验结果表明: 1)偏压及Si和Y掺杂明显改变了涂层的相结构,提高了涂层致密度,施加-100V偏压的(Ti,Al,Si,Y)N涂层为非晶结构,表面更加均匀致密,沉积态涂层均为典型的柱状晶结构。施加-100V偏压的(Ti,Al)N和(Ti,Al,Si,Y)N沉积态涂层与未施加偏压的相应涂层相比,硬度均降低,尤其是(Ti,Al,Si,Y)N涂层降低显著。划痕测试结果表明,在50N载荷范围内,所有涂层均未出现连续性的剥落。 2)850和950℃氧化实验表明:(Ti,Al,Si,Y)N涂层表面形成极薄且致密的Al2O3保护性氧化膜,大大降低了氧化速率。(Ti,Al,Si,Y)N(O V)涂层经850和950℃热处理,硬度均显著提高,原因可能归因于B1相固溶体的分解,而(Ti,Al,Si,Y)N(-100V)涂层经850℃热处理,硬度升高,可能归因于TiN的重结晶(硬度升高);经950℃热处理,硬度略有降低,可能是由于形成了硬度较低的B4相。 在不同偏压下,利用双极脉冲磁控溅射技术沉积了(Cr,Al)N(O,-100和-200V)和(Cr,Al,Si,Y)N(0、-100、-200、-300和-400V)涂层。实验结果表明: 1)所获得的涂层均为B1NaCl结构。偏压的施加,引起沉积速率下降、表面颗粒尺寸减小、择优取向发生变化。当偏压从0V增到-200V时,(Cr,Al)N及(Cr,Al,Si,Y)N硬度均升高,而结合力均下降。 2)850和950℃氧化实验表明,(Cr,Al,Si,Y)N涂层表面形成极薄且致密的Al2O3和Cr2O3混合保护性氧化膜,大大降低了氧化速率。涂层和基体之间发生了元素互扩散。与未施加偏压的(Cr,Al)N及(Cr,Al,Si,Y)N涂层相比,施加偏压的相应涂层中互扩散现象更加明显。在未加偏压的涂层中,Cr和Al的分布比较均匀,Fe主要分布在距基体较近的区域;在施加偏压的涂层中,Cr在基体/涂层界面处具有较高的浓度分布,而Fe主要分布在氧化膜及涂层中。850℃时,涂层的氧化以氧原子向涂层内部的扩散为主;950℃时,涂层氧化过程中同时存在O原子的向内扩散和Cr、Al原子的向外扩散。此外,由于涂层与基体之间热膨胀系数的差异引起的热应力,导致(Cr,Al)N及(Cr,Al,Si,Y)N涂层氧化过程中出现了裂纹。


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