調(diào)制比對Cr/CrN/Cr/CrAlN多層膜結(jié)構(gòu)及性能的影響

田甜，林松盛，王迪，柏松，曲帥杰，郭朝乾，代明江

（1.中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2.廣東省科學院新材料研究所 現(xiàn)代材料表面工程技術國家工程實驗室 廣東省現(xiàn)代表面工程技術重點實驗室，廣州 510651）

機器零部件的失效約80%是因磨損引起的，每年因磨損造成的經(jīng)濟損失約占國內(nèi)生產(chǎn)總值的2%～7%，如果以5%計算，2019 年我國因磨損造成的損失就可能達4.95 萬億元[1]。沖蝕磨損是指材料表面受到細小而松散的流動顆粒的沖擊而發(fā)生損傷的一種磨損現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在航空航天、機械、能源、冶金等行業(yè)中廣泛存在，是造成材料破壞或部件失效的主要原因之一。它首先發(fā)生在材料表面，因此材料的表面質(zhì)量是控制沖蝕磨損損失量的關鍵[2]。目前，主要通過在材料表面添加防護性膜層來提升抗沖蝕磨損性能，這種方法易于實現(xiàn)，且已經(jīng)得到廣泛應用。

隨著科技的發(fā)展，人們通過多元膜層[3-4]、多層膜層[5-7]來提高膜層的性能，并取得了較大進展。Alexander 等人[8]利用等離子噴涂技術制備了厚度約為7～9 μm 的Cr/CrC 膜層，使鈦合金樣品的耐磨性提高了1.5 倍。Cai 等人[9]通過離子鍍技術在鈦合金（TC4）上制備了具有多層結(jié)構(gòu)的Cr/CrSiN 膜層，發(fā)現(xiàn)Cr/CrSiN-10 多層膜層具有較高的結(jié)合強度和良好的抗沖蝕性能。金杰等人[10]證明了不同體系的膜層抗沖蝕性能差異較大，二元金屬及其氮化物的交替復合膜層抗沖蝕性能更佳。有研究表明，CrAlN 膜層較其他膜層具有更高的硬度，且具有優(yōu)異的耐磨及抗沖蝕性能[11-12]。梁楊夢甜等人[13]通過研究Al 靶功率對CrAlN 納米梯度膜層組織結(jié)構(gòu)和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al 含量對膜層性能有重要影響。目前主要通過構(gòu)建交替沉積CrAlN 層和其他層來優(yōu)化CrAlN 膜層的整體性能，多層結(jié)構(gòu)交接處會產(chǎn)生Hall-Petch 強化，使其綜合性能更好[14]。如Hu 等人[15]通過插入具有特殊熱穩(wěn)定性能的TiAlSiN 膜層到CrAlN 膜層中，來抑制Cr—N 鍵的斷裂，以改善CrAlN 膜層的力學性能。

在晶體/晶體納米多層體系中，如TiN/TiAlN 和ZrO2/TiN，當其中一個晶體層被迫適應另一個晶體層的結(jié)構(gòu)時，膜層性能對生長條件和調(diào)制周期都非常敏感[16]。Xu 等[17]通過第一性原理設計了多層膜層的調(diào)制比，通過改變膜層的調(diào)制比進而改變膜層的成分，導致其性能顯著不同，并探討了調(diào)制比對多層膜層外延穩(wěn)定性的影響。目前，研究人員對不同多層膜層進行了調(diào)制比研究[18-20]，結(jié)果都表明，改變膜層的調(diào)制比，可以改變多層膜層的結(jié)構(gòu)及力學性能。

Wang 等人[21-22]通過電弧離子鍍制備了Cr/CrAlN和Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層，并研究了其相組成和力學性能，同時通過有限元方法研究了膜層在沖蝕過程中的應力變化，分析了膜層的破壞機理。結(jié)果表明，與Cr/CrAlN 膜層相比，Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層具有更少的表面微粒、更高的結(jié)合強度和更低的殘余應力，且Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層表現(xiàn)出最佳的抗沖蝕性能。目前已有科研工作者研究了靶電流、偏壓和爐壓等工藝參數(shù)對Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層結(jié)構(gòu)及性能的影響，并對工藝進行了優(yōu)化；同時進行了電磁驅(qū)動結(jié)合強永磁復合磁場研究，利用電弧離子鍍技術制備Cr/CrN/Cr/CrAlN 多元多層結(jié)構(gòu)膜層，并對其強韌調(diào)制、抗沖蝕機理等進行了研究[23]。在前期研究基礎上，為進一步研究工藝參數(shù)對多層膜結(jié)構(gòu)及性能的影響，本試驗采用真空陰極電弧沉積技術在TC4 鈦合金表面制備了不同調(diào)制比（LCr/CrN∶LCr/CrAlN）的Cr/CrN/Cr/CrAlN多層膜，并研究了調(diào)制比的變化對多層膜結(jié)構(gòu)及性能的影響。

1 試驗

1.1 樣品制備

本試驗用TC4 鈦合金（Ti-6Al-4V）和單晶硅片P(100)作為基體材料。單晶硅片主要用于分析多層膜的微觀結(jié)構(gòu)。TC4 鈦合金基體表面需用砂紙打磨至表面Ra＜0.4 μm，以用于相關性能測試。試樣鍍膜前進行超聲清洗。鍍膜設備采用國產(chǎn)定制的AS700DTX型自動控制十六弧陰極電弧鍍膜機，真空腔內(nèi)共分布四列靶，每列靶自上而下分布4 個靶位。選擇其中一列安裝CrAl 靶（Cr∶Al=50∶50，純度＞99.5%），一列安裝Cr 靶（純度＞99.5%），靶材尺寸統(tǒng)一為?100 mm×30 mm。所用的氣體為氮氣和氬氣（純度＞99.999%）。鍍膜前用-900 V 偏壓輝光放電對試樣進行1 h 離子轟擊清洗，通過控制靶的使用和氣體的通入，先沉積約1.5 μm 的CrN 過渡層，然后沉積Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜，每一周期約為200～300 nm，重復36 周期。每一周期LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的設計見表1。膜層的沉積參數(shù)主要為：靶電流80～90 A，偏壓-100 V，爐內(nèi)壓強1.0 Pa，溫度350 ℃。

表1 Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜LCr/CrN∶LCr/CrAlN 調(diào)制比設計Tab.1 Cr/ CrN/Cr/CrAlN multilayers LCr/CrN ∶LCr/CrAlN modulation ratio design

1.2 測試方法

多層膜表面及截面形貌通過Nova NanoSEM 430型超高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察，表面大顆粒通過Image-Pro 軟件進行定量分析，得到其在膜層表面的面積占比。利用X 射線衍射儀表征膜層的晶體結(jié)構(gòu)。膜層的維氏顯微硬度通過MH-5D 型硬度計測量，設定載荷為25 g，保載時間為15 s。膜基結(jié)合力通過HH-3000 型膜/基結(jié)合強度劃痕試驗儀測量，設定載荷為0～100 N，時間為1 min，劃痕長度為5 mm。

通過FST-150 應力測試儀測量鍍膜前后基片的曲率半徑，利用基片彎曲法根據(jù)Stoney 公式[24]計算得出殘余應力。通過 AS600-特制噴砂試驗機，按ASTM G76-05 標準[25]進行抗沖蝕性能測試，固體磨粒選擇氧化鋁（Al2O3）顆粒，平均尺寸為80 μm，砂粒速率為30 m/s，進砂速率約為2 g/min，樣品與噴嘴出口之間的工作距離為10 mm，沖蝕角為90°和30°。通過Dektakxt 三維表面輪廓儀測量沖蝕坑深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜層結(jié)構(gòu)分析

圖1為不同LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN多層膜的SEM 表面形貌（圖1a—g）及膜層上顆粒占膜層表面總面積的比例（圖1h）。由圖1 可以看出，所有膜層表面上均存在一些大顆粒和因顆粒掉落形成的小坑。由于傳統(tǒng)的陰極電弧離子鍍?yōu)闊釄鲋掳l(fā)射脫靶機制，靶材會因弧光放電而局部熔融噴射出微米級熔融態(tài)的金屬大顆粒。這些由大顆粒形成的突起很容易受到砂礫的沖蝕，表面大顆粒掉落后會形成凹坑。這些凹坑易成為疲勞或沖蝕破壞的應力集中點，從而導致涂層快速失效。所以，膜層表面大顆粒越少越好。通過定量分析（圖1h）可知，膜層表面顆粒數(shù)量隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN比例的增大而減少。當LCr/CrN∶LCr/CrAlN=0∶1 時，膜層表面的顆粒占比最大，達到13.90%；當LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶0 時，顆粒占比最小，其值約為 4.44%。表 2 為不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層表面成分分析，能夠發(fā)現(xiàn)，隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的增大，Cr 含量逐漸增多，Al 含量逐漸減少至零，N 含量基本保持不變。膜層表面大顆粒隨調(diào)制比變化，是因為Al 的熔點低于Cr，它更有可能熔化并形成液滴，最終導致表面大量微粒的沉積[21]，所以隨著CrAlN 比例的增加，表面顆粒增多，隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比增加，表面顆粒減少，表面質(zhì)量提升。

圖1 不同調(diào)制比多層膜表面形貌及表面大顆粒占比變化趨勢Fig.1 Surface morphology and surface large particle proportion of multilayer films with different modulation ratios: h) surface large particle proportion change trend

表2 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜原子百分比Tab.2 Atomic percentage of Cr/CrN/Cr/CrAlN multilayers with different modulation ratios

圖2 為不同LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的截面形貌圖?？梢钥吹讲煌{(diào)制比的膜層厚度為7～9 μm，除去約1.5 μm 的CrN 過渡層，36 周期的Cr/CrN/Cr/CrAlN 層約6～8 μm，每一周期約200～250 nm，這與設計的基本一致。同時，從截面形貌可以看出，膜層非常致密，由于每層中均含有Cr 元素，未能觀察到清晰的多層結(jié)構(gòu)，但可以觀察到當LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比為1∶2 時，膜層更加致密細膩，孔洞等缺陷少。富金屬相Cr 層能夠降低陶瓷層界面間的應力，使多層膜層界面間結(jié)合良好，從而提高膜層抵抗脆斷的能力。

圖2 不同調(diào)制比多層膜截面形貌Fig.2 Cross section morphology of Cr/CrN/Cr/CrAlN multilayers with modulation ratios

圖3 為不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的XRD 圖譜。膜層均顯示出與(Cr,Al)N 的NaCl-B1 型結(jié)構(gòu)（FCC）相匹配的相似晶體峰，衍射峰主要為(111)、(200)和(220)。根據(jù)能量最小化原理，膜層會在自由能最低的面擇優(yōu)取向，且擇優(yōu)取向是表面能與應變能相競爭的結(jié)果。在面心立方結(jié)構(gòu)中，當表面能占優(yōu)勢時，膜層將沿著(200)晶面生長；當應變能占優(yōu)勢時，膜層將沿著(111)晶面生長[26-27]。調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=0∶1 時，擇優(yōu)取向為(111)，此時Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的應變能起主導作用，膜層內(nèi)應力大；隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的增加，膜層擇優(yōu)取向從(111)轉(zhuǎn)向(200)，這是因為多層膜的應變能作用逐漸減小，表面能逐漸起主導作用，膜層內(nèi)應力減小。

圖3 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of Cr/CrN/Cr/CrAlN multilayers with different modulation ratios

2.2 膜層性能

2.2.1 膜層結(jié)合力、硬度和殘余應力

膜層與基材的結(jié)合強度對其應用性能起著重要作用[28]。從圖4 及表3 可以看出，當LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比增加至1∶2 時，膜層的結(jié)合力達到最佳，為31.8 N，LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比繼續(xù)增加，多層膜的結(jié)合逐漸下降。分析認為，多層膜的結(jié)合力除了與其致密度有一定的關系外，還受殘余應力的影響。主要原因是應力能夠引起鍵收縮，導致鍵之間的相互作用增強[29]。膜層的殘余應力包括內(nèi)應力和熱應力[30]。內(nèi)應力是在沉積過程中產(chǎn)生的，其主要與膜層的結(jié)構(gòu)和形貌有關，且取決于沉積粒子撞擊基體表面時的能量。因此，內(nèi)應力與高偏壓條件下涂層生長時的金屬離子轟擊有關。熱應力是指在熱沖擊過程中由基體和涂層之間的不同熱膨脹系數(shù)而引起的應力，也稱為雙金屬效應[31-32]。多層膜層在每層中具有不同的結(jié)構(gòu)和轟擊能量，因此在層與層之間也會形成內(nèi)應力。過多的殘余應力容易引起裂紋的萌生和擴展。本試驗中多層膜的殘余應力，也呈現(xiàn)出與結(jié)合力隨調(diào)制比變化的趨勢基本吻合的結(jié)果。殘余應力隨著Cr/CrN 層比例的增加而逐漸降低，在LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶1 時最低，為-1.968 GPa。這是因為殘余應力包括內(nèi)應力和熱應力，多層結(jié)構(gòu)能抑制晶粒生長，從而導致殘余應力較低，繼續(xù)增加Cr/CrN 的比例，殘余應力反而有所升高，說明通過調(diào)控膜層的調(diào)制比，能夠一定程度上減少殘余應力。而多層膜的硬度隨著Cr/CrN 層比例的增加越來越低，當LCr/CrN∶LCr/CrAlN=0∶1 時，膜層的硬度達到了3500HV 以上，當LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶0時，膜層硬度約為2235HV。膜層的硬度受各種因素的影響，例如表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、元素組成、內(nèi)部應力、厚度等。隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的變化，多層膜成分發(fā)生改變，從而引起膜層微觀結(jié)構(gòu)的改變。(Cr,Al)N 的密排面為(111)，當Cr/CrN/Cr/CrAlN膜層擇優(yōu)取向從(111)轉(zhuǎn)向(200)時，膜層硬度會降低，且CrAlN 膜層通常表現(xiàn)出較高硬度，而CrN 膜層硬度較低，故Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層的硬度隨著Cr/CrN 層占比的增加而降低，即膜層成分與其微觀結(jié)構(gòu)是影響多層膜硬度的主要因素。而膜層硬度對膜層的抗沖蝕性能有重要影響：硬度過高，膜層脆性大，容易造成沖蝕性能下降；硬度過低，難以抵抗砂粒沖蝕。

圖4 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層性能測試結(jié)果Fig.4 Cr/CrN/Cr/CrAlN coatings with different modulation ratios: a) scratch photos; b) hardness comparison; c) residual stress comparison

當硬度達到一定水平時，斷裂韌性或裂紋擴展抗力對脆性磨損起重要作用[33-34]。其中，韌性以裂紋擴展抗力（CPR）表征，如公式(1)所示。

式中：Lc1為膜層開始破裂時的臨界載荷；Lc2為膜層完全剝離失效時的臨界載荷（常用來表示膜層的結(jié)合力）。同時，Lc1又是硬度和斷裂韌性Kc的函數(shù)，如公式(2)所示。

式中：L為常數(shù)（L=2×105）；H為硬度；Kc為斷裂韌性。膜層的韌性可以通過劃痕裂紋擴展抗力（CPR）來表征，Lc1越大，膜層的抗開裂能力越強。Lc1和Lc2之間的距離越大，則膜層抵抗裂紋擴展的時間就越長，即CPR 值越大，膜層韌性越好。良好的韌性是硬質(zhì)膜層關注的重點，斷裂韌性越好，膜層的抗沖蝕性能越佳。通過計算，不同調(diào)制比多層膜的裂紋擴展抗力和斷裂韌性見表3。通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的增加，膜層的裂紋擴展抗力和斷裂韌性都先增加、后減小，在LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 時，裂紋擴展抗力及斷裂韌性均達到最優(yōu)。通過膜層硬度、結(jié)合力、殘余應力、裂紋擴展抗力和斷裂韌性評價，在調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2時，膜層綜合性能最佳。

表3 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 膜層的結(jié)合力、殘余應力、硬度、裂紋擴展抗力及斷裂韌性Tab.3 Ahesion, residual stress, har dness, crack growth resistance and fracture toughness of Cr/CrN/Cr/CrAlN coatings with different modulation ratios

2.2.2 膜層的抗沖蝕性能

通過分別對比在30°沖蝕角和90°沖蝕角時，TC4鈦合金基體和七組不同調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的沖蝕坑深度及沖蝕率（沖蝕率=沖蝕深度/砂粒量），來評估膜層抗沖蝕性能的優(yōu)劣。

表4 為TC4 鈦合金基體和七組不同調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層在90°沖蝕角下沖蝕不同砂量的沖蝕坑深。從表中可以看出，調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層試樣抗90°砂粒沖蝕性能最佳，在砂量達到5 g 時，部分調(diào)制比的膜層試樣已經(jīng)沖蝕到基體，而調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層試樣未達到基體，沖蝕坑深為5.5 μm，約為TC4 基體沖蝕坑深的1/3。

表4 90°沖蝕角下膜層在不同沖蝕砂量下的沖蝕坑深度比較Tab.4 Comparison of pitting depths of coatings at different erosion sand amounts under 90° erosion angle

表5 為TC4 鈦合金基體和七組不同調(diào)制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜層在30°沖蝕角下沖蝕不同砂量的沖蝕坑深。從表中同樣可以得到，調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層試樣抗30°砂粒沖蝕性能最佳，在砂量達到10 g 時，部分調(diào)制比的膜層試樣已經(jīng)沖蝕到基體，而調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2的膜層試樣還未達到基體，沖蝕坑深為3.665 μm，約為TC4 基體沖蝕坑深的1/7。因此，無論是在90°沖蝕角還是30°沖蝕角下，在未沖蝕到基體前，膜層都具有一定的抗沖蝕性能，即使沖蝕至基體，所有膜層試樣的沖蝕坑深都較TC4 基材淺，說明未破損的膜層起到保護作用。

表5 30°沖蝕角下膜層在不同沖蝕砂量下的沖蝕坑深度比較Tab.5 Comparison of erosion pit depths of coatings at different erosion sand amounts at a 30° erosion angle

通過進一步比較不同調(diào)制比膜層的沖蝕率來評估膜層的抗沖蝕性能。圖5a 為90°沖蝕角、5 g 砂量下不同調(diào)制比的膜層及基體的沖蝕率。圖5b 為30°沖蝕角、10 g 砂量下不同調(diào)制比的膜層及基體的沖蝕率。結(jié)果均表明，隨著調(diào)制比的變化，膜層的抗沖蝕性能存在明顯差距。隨著LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比由0∶1 增加至1∶2，膜層的抗沖蝕性能上升到最佳（90°攻角沖蝕率為1.1 μm/g，30°攻角沖蝕率為0.366 μm/g），隨后繼續(xù)增加Cr/CrN 份額，膜層的抗沖蝕性能反而下降。

圖5 不同調(diào)制比Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜沖蝕率柱狀圖Fig.5 Erosion rate comparison of Cr/CrN/Cr/CrAlN multilayers with different modulation ratios

圖6 為調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在沖蝕角為90°時的沖蝕形貌。通過觀察沖蝕形貌，可以明顯看出膜層的沖蝕機理為脆性破碎，與文獻[28]中報道的沖蝕機制一致。對比沖蝕中心和一些輕微沖蝕區(qū)，可以看到裂紋主要分布在沖蝕中心，這是因為在90°沖蝕角下，砂粒垂直作用于膜層表面，法向力起主導作用。圖6 中標識1 處為明顯的臺階狀形貌，可能是因為砂粒在沖擊到膜層時形成裂紋源（如標識3），砂粒繼續(xù)沖擊的壓應力會使裂紋繼續(xù)生長，直至發(fā)生徑向開裂，但是底層的Cr 層硬度較低，韌性較好，能夠吸收部分能量，有效阻止膜層的繼續(xù)開裂，故而形成臺階狀形貌。膜層表面大顆粒受到砂粒沖擊時很容易脫落，形成如標識2 處的坑狀裂紋，其可以看作一個裂紋源，因此更容易發(fā)生脆性剝落。

圖6 調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在沖蝕角為90°時的沖蝕形貌Fig.6 Erosion morphology of the coating with LCr/CrN ∶LCr/CrAlN=1∶2 at an erosion angle of 90°

圖7 為LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在沖蝕角為30°時的沖蝕形貌。同樣也能看到?jīng)_蝕后形成的臺階狀形貌（1）、沖蝕坑（2）以及膜層上的小裂紋（3），說明沖蝕角為30°時，膜層的失效方式與90°時一致，為脆性斷裂，但沖蝕破損較小。對比30°沖蝕角與90°沖蝕角的沖蝕率發(fā)現(xiàn)，LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在30°沖蝕角下的沖蝕率約為90°沖蝕角的1/3。這是因為在脆性材料（如陶瓷膜層）中，法向沖擊角下的材料會呈現(xiàn)最大的材料損失值[35]，而30°沖蝕角下砂粒對膜層的法向沖擊力遠小于90°沖蝕角下的值。

圖7 調(diào)制比LCr/CrN∶LCr/CrAlN=1∶2 的膜層在沖蝕角為30°時的沖蝕形貌Fig.7 Erosion morphology of the coating with LCr/CrN ∶LCr/CrAlN=1∶2 at an erosion angle of 30°

膜層的抗沖蝕能力與其硬度、結(jié)合力和抗裂韌性密切相關。要獲得良好的抗砂粒沖蝕能力，須具有足夠的硬度和良好的韌性。有研究報道[36]，多層膜層的抗裂性主要受膜層韌性的影響，膜層界面增韌有助于減少膜層開裂引起的沖蝕侵害。多層膜層結(jié)構(gòu)中界面數(shù)量較多，增韌效果加強。沖蝕過程中，砂粒的沖擊導致應力集中在表面層，迫使脆性層斷裂，金屬層能有效吸收一部分應力，延緩裂紋的擴展。在本試驗中，調(diào)制比（LCr/CrN∶LCr/CrAlN）為1∶2 時，膜層在保證高硬度的基礎上，其結(jié)合力、裂紋擴展抗力和斷裂韌性達到最佳，因此表現(xiàn)出最好的抗砂粒沖蝕性能。

3 結(jié)論

采用電弧離子鍍技術在 TC4 鈦合金上制備了7～9 μm 不同LCr/CrN∶LCr/CrAlN調(diào)制比的多層膜，研究了調(diào)制比對膜層結(jié)構(gòu)及性能的影響，結(jié)論如下：

1）隨著Cr/CrN 比例的增加，多層膜表面質(zhì)量提升，多層膜生長擇優(yōu)取向由(111)晶面轉(zhuǎn)向(200)晶面。

2）隨著Cr/CrN 比例的增加，多層膜的硬度呈下降趨勢，結(jié)合力和韌性則呈先升后降的趨勢，并在LCr/CrN∶LCr/CrAlN為1∶2 時達到最佳。

3）多層膜抗砂粒沖蝕性能的變化規(guī)律與力學性能一致，在LCr/CrN∶LCr/CrAlN為1∶2 時為最佳，其抗沖蝕能力是TC4 基材的3 倍以上，多層膜呈典型的脆性斷裂失效形式。