TC4表面渗Nb、C、N复合涂层的制备及其摩擦磨损性能研究

涂高阳 袁明 张冬冬 鲁青

摘 要：采用双阴极等离子溅射技术在TC4合金表面制备了铌碳氮复合涂层，利用XRD和维氏显微硬度计观察其物相和表面微观形貌，并对其摩擦磨损性能进行研究。结果表明：复合涂层由Nb2C，Nb2CN两种物相组成，厚度约10um。涂层摩擦系数低于0.35，且比磨损率较TC4合金降低了两个数量级，对载荷几乎不具敏感性。

关键词：复合涂层；金属碳氮化物；磨损

中图分类号：TG174.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0103-02

Abstract： Niobium carbonitride composite coatings were prepared on TC4 alloy by double cathode plasma sputtering technique. The phase and surface morphology of the coatings were observed by XRD and Vickers Indenter， and the friction and wear properties of the coatings were studied. The results show that the composite coating consists of two phases of Nb2C and Nb2CN， and the thickness of the coating is about 10 um. The friction coefficient of the coating is lower than 0.35， and the specific wear rate of the coating is two orders of magnitude lower than that of the TC4 alloy， and it is almost insensitive to the load.

Keywords： composite coating； metal carbonitride； wear

TC4钛合金是一种α+β型两相钛合金，具有比强度高、耐腐蚀等优越性能，在航空航天、医疗、汽车等领域广泛应用，但是硬度低、不耐磨损的缺点也很明显。目前已经有众多的表面改性技术用于提高TC4耐磨性，包括合金化、涂层及薄膜技术。大多数过渡族金属碳化物具有韧性大，硬度高的优点，其中金属铌的氮化物、碳化物更为突出。国内外部分学者将涂层技术运用到金属材料的表面处理上，提高材料的耐磨性能。例如Roberto Mirabal-Rojas采用等离子合金化技术在NbN涂层中添加Bi元素，结果表明当所制试样中Bi的浓度在4.9和8.4at%之间时，硬度从NbN涂层的30GPa降低到13.9Gpa，摩擦系数从NbN涂层的0.8降到了0.3[1]。R.M. Oliveira等为了提高Nb的耐高温和耐磨损性能，将氮离子注入Nb中，形成4.5μm的改性层，处理后的磨损率从1.5×10-2mm3N-1m-1降至2.6×10-6mm3N-1m-1，同时摩擦系数从0.8降低到了0.25，试样硬度显着增加[2]。这些研究表明金属铌的氮化物具有很好的耐磨损性能。

因此，本文采用双阴极溅射沉积技术在TC4表面制备铌碳氮复合涂层，以降低钛合金的摩擦系数，提高TC4合金的耐磨性能。

1 试验材料及方法

1.1 涂层制备

基體材料采用TC4钛合金，尺寸规格为φ35mm×3mm。源极采用铌碳混合靶材，尺寸规格为φ100×10mm。采用高纯氩气作为工作载气，高纯氮气作为反应气体，借助双阴极等离子溅射沉积炉进行涂层制备。具体工艺参数：源极电压950V，工件电压450V，气压35Pa，极间距（基体和靶材之间的距离）12mm；Ar/N2流量比为40：1，保温时间3h。

1.2 磨损形貌和性能分析

采用德国Bruker公司生产的D8ADVANCE型X射线衍射仪对涂层的物相进行分析鉴定。采用HT-1000型高温摩擦磨损试验机测试涂层和基体的耐磨损性能。采用MicroXAMTM非接触式表面三维形貌仪观察并测量涂层磨痕的三维形貌和磨损体积，并计算出比磨损率[3]。

2 实验结果及分析

2.1 复合涂层的表征

图1为所制备的复合涂层的X射线衍射图谱。该图谱主要由Nb2C，Nb2CN，Ti三种衍射峰构成，其中Nb2C衍射峰信号最强。图中可以看出Nb2C，Nb2CN衍射峰有明显宽化现象，这可能是因为所制备涂层晶粒比较细小。

所制备复合涂层在维氏显微硬度计下观察，涂层表面较为光滑致密，取五个不同区域进行硬度检测，得出平均维氏硬度为1134HV，远高于TC4基体的表面硬度。采用HNO3，H2SO4，H2O按照2：5：43的比例配置的腐蚀液对截面试样进行腐蚀，观察结果如图2所示。左边氧化部分为TC4合金，涂层厚度约为10um，经腐蚀液腐蚀后截面无明显变化，说明耐酸腐蚀性能强于TC4合金。

2.2 NbCN涂层的耐磨性能

图3（a）和（b）分别为TC4基体和复合涂层在2，3，4，5N的载荷下摩擦系数随时间变化的曲线图。从图3（a）可以看出TC4合金的摩擦系数在磨损初期随着滑动时间稳定增加，随后进入平稳阶段。四条摩擦系数曲线进入平稳阶段的时间大体相同，但随着施加的法向载荷的增大，摩擦系数也随之增加。这可能是由两者磨损表面的实际接触面积的增加，磨损碎屑的产生以及来自干摩擦条件下的摩擦热效应产生的表面软化造成的。比较图3（a）和（b）可知，涂覆有铌碳氮涂层的试样摩擦系数均低于0.35，远低于TC4合金。其原因可能是复合涂层的硬度较高，导致磨损的实际接触面积减少，产生的磨屑减少。

图4为TC4合金和复合涂层的比磨损率。在室温下分别施加2，3，4，5N的法向载荷，与Si3N4相对滑动100m后，可以看到TC4合金的比磨损率与施加的载荷成线性递增的关系，从3.15x10-4mm3N-1m-1增加到6.22x10-4mm3N-1m-1。与之对比，随着施加法向载荷的增加，涂覆铌碳氮涂层的试样的比磨损率增加并不明显，从5.10x10-4mm3N-1m-1增加到5.75x10-4mm3N-1m-1，比TC4合金降级了两个数量级。说明涂覆有复合涂层的试样的耐磨损性能远高于TC4基体。

3 结束语

（1）在TC4表面采用双阴极溅射沉积技术成功制备出铌碳氮复合涂层，涂层为Nb2CN，Nb2C混合构成，厚度约10um，表面致密均匀，无褶皱破损情况，渗有涂层的试样硬度远高于TC4合金。

（2）TC4基体表面涂覆铌碳氮涂层后，摩擦系数降到了0.35以下，最低降到了0.22，磨损体积从10-4mm3N-1m-1降低到10-6mm3N-1m-1数量级，施加载荷的影响减小，耐磨性得到极大增强。

参考文献：

[1]Mirabal-Rojas R， Depablos-Rivera O， Gómez C L， et al. Reduction of the coefficient of friction of niobium nitride coatings by the addition of bismuth[J]. Vacuum， 2016，125（4）：146-153.

[2]Oliveira R M， Oliveira A C， Carreri F C， et al. Detailed surface analyses and improved mechanical and tribological properties of niobium treated by high temperature nitrogen plasma based ion implantation[J].Applied Surface Science， 2013，283（14）：382-388.

[3]金杰，李歡，李晓涵.镁合金微弧氧化涂层高温磨擦磨损性能[J].稀有金属材料与工程，2017，46（5）：1202-1206.