304不銹鋼表面單層/多層TiN基涂層制備及耐磨蝕性能研究

項(xiàng)燕雄，王澤松，劉貴昂，梁楓，鄒長(zhǎng)偉，于云江，田燦鑫

304不銹鋼表面單層/多層TiN基涂層制備及耐磨蝕性能研究

項(xiàng)燕雄，王澤松，劉貴昂，梁楓，鄒長(zhǎng)偉，于云江，田燦鑫

（嶺南師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 湛江 524048）

探究鋼基表面TiN基涂層在海洋環(huán)境中的耐磨蝕性能。采用電弧離子鍍技術(shù)，在304不銹鋼和單晶硅表面分別沉積TiN、TiBN、TiBN/TiN涂層，并對(duì)3種涂層樣品的表面–截面形貌、摩擦系數(shù)、在人工海水中的電化學(xué)性能和摩擦腐蝕行為進(jìn)行測(cè)試。形貌表征和干摩擦測(cè)試結(jié)果顯示，TiBN和TiBN/TiN涂層有著比TiN柱狀晶更加致密的微觀結(jié)構(gòu)，3種涂層的摩擦系數(shù)相差不大，比304SS的摩擦系數(shù)低。在人工海水環(huán)境中的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，TiBN/TiN涂層的耐腐蝕性能最佳，TiBN涂層次之，TiN涂層則表現(xiàn)出比304不銹鋼基底更差的耐腐蝕特性。在發(fā)生摩擦腐蝕的過程中，3種涂層的電位（OCP）均發(fā)生了下降。利用電弧離子鍍技術(shù)在304不銹鋼表面沉積的單層/多層TiN基涂層，在人工海水環(huán)境下，發(fā)生的摩擦?xí)黾油繉影l(fā)生腐蝕的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)致密，表面易形成鈍化膜的涂層，其耐磨蝕性較好。

電弧離子鍍；TiN基涂層；耐腐蝕性能；摩擦腐蝕；單層/多層

隨著海洋資源的深入開發(fā)，海上裝備的需求量逐漸增大，這對(duì)海洋海上裝備的性能與壽命提出了更多更高的要求[1-4]。海上裝備在高溫高濕及高氯離子環(huán)境下的快速腐蝕問題成了影響海洋裝備壽命的其中一個(gè)重要原因[5-6]。通常，對(duì)于海上裝備中暴露在外且不發(fā)生相對(duì)摩擦的部件，可以采用涂覆保護(hù)涂層的方式達(dá)到防止腐蝕的目的。但由于海洋風(fēng)吹環(huán)境會(huì)導(dǎo)致海上裝備表面涂層與緊固件之間發(fā)生持續(xù)的交互摩擦磨損，而涂料涂層的附著力以及耐磨性較差，在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的過程中容易造成涂層脫落而致使涂層失效，因此簡(jiǎn)單的涂料涂層無法滿足防腐要求。針對(duì)摩擦副的防腐，主流涂層有C基及N基涂層。與傳統(tǒng)的金屬基體相比，這2種涂層有著更低的摩擦系數(shù)、磨損率以及腐蝕電流密度，現(xiàn)已成為海洋裝備摩擦副防腐的一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)。

C/N基涂層的制備方法通常有熱噴涂[7]、化學(xué)氣相沉積（CVD）[8]、物理氣相沉積（PVD）[9-11]等。其中，PVD技術(shù)因其重復(fù)性好、工藝穩(wěn)定等備受青睞，部分PVD涂層已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。電弧離子鍍PVD技術(shù)因其具有沉積速率高、致密性好以及膜基結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于過渡金屬氮化物的沉積。作為N基涂層的代表性二元涂層，TiN涂層因其具有附著力好、硬度高、耐磨性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)中得到了廣泛的運(yùn)用[12-16]。在腐蝕環(huán)境中使用時(shí)，TiN涂層中的柱狀晶結(jié)構(gòu)卻造成涂層整體的腐蝕程度加劇。因?yàn)槠浔砻嫜趸瘜酉暮?，液體會(huì)通過柱狀晶間的縫隙滲透進(jìn)入基體中，導(dǎo)致涂層腐蝕及剝落，從而引起防護(hù)涂層的失效。在電弧離子鍍技術(shù)、磁控濺射等PVD技術(shù)中，陰極靶材選擇TiB2，在N2工藝氣體環(huán)境下很容易得到TiBN涂層。通過B元素的引入和其他工藝參數(shù)的改變，涂層中存在的柱狀晶TiN結(jié)構(gòu)演變成nc-(TiN,TiB2)/α-BN的復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)[17-20]，涂層的致密性大大增加，有效提高了涂層的防腐性能。另外，大量的研究也證實(shí)，多層涂層中相互交替的子層結(jié)構(gòu)能有效減少涂層中的孔洞及缺陷[21]，能阻止腐蝕媒介中的離子通過涂層進(jìn)入基體而引起電偶腐蝕。

304不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性顯著等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但在海洋環(huán)境等惡劣條件下使用時(shí)，其耐腐蝕性能的不足嚴(yán)重制約了其服役壽命。尤其應(yīng)用于海上特種裝備的304不銹鋼，長(zhǎng)期暴露在海洋風(fēng)吹和海水飛濺的環(huán)境中，交互摩擦磨損和電化學(xué)腐蝕同時(shí)存在。為此，本文通過電弧離子鍍方法在304不銹鋼表面分別制備了TiN、TiBN以及TiBN/TiN多層涂層，并對(duì)其在干燥環(huán)境下的摩擦學(xué)行為、在人工海水中的電化學(xué)腐蝕行為以及在人工海水中的交互摩擦腐蝕行為展開系統(tǒng)研究，以探究其交互摩擦腐蝕的機(jī)制，為海上特種涂層裝備的研發(fā)提供試驗(yàn)及理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 涂層制備

試驗(yàn)分別選用Ti靶（99.9%，原子分?jǐn)?shù)，下同）和TiB2靶（99.9%，Ti和B的原子比為33∶67）作為陰極靶材，工藝氣體為純度99.99%的N2和Ar。2種陰極靶均為100 mm×20 mm的圓餅狀塊體，對(duì)稱地安裝在尺寸為540 mm×300 mm×400 mm 的真空腔室內(nèi)壁兩側(cè)，單靶與基片的最小中心距離為200 mm。單面拋光型304不銹鋼基片（15 mm×15 mm×3 mm）及單晶硅(111)（10 mm×10 mm×0.5 mm）依次用去離子水和無水乙醇各超聲波清洗20 min后烘干，通過夾具裝配在樣品支架上。整個(gè)樣品底盤能進(jìn)行一重公轉(zhuǎn)，其上的支架可實(shí)現(xiàn)二重自轉(zhuǎn)，靶材與基片的相對(duì)關(guān)系如圖1所示。

本試驗(yàn)所用的鍍膜設(shè)備為北京丹普公司生產(chǎn)的AS510DTXB型計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制離子鍍膜機(jī)。以在304不銹鋼基體上制備TiBN/TiN涂層為例，詳細(xì)的制備過程如下：先將真空室加熱到400 ℃，并用旋片真空泵、羅茨泵和磁懸浮渦輪分子泵組成的真空機(jī)組抽至本底真空3.0×10–3Pa；保持基片一重公轉(zhuǎn)速度為1 r/min，加負(fù)偏壓–1 000 V，通入Ar氣，打開離子源，設(shè)置功率為6 kW，進(jìn)行Ar+離子轟擊，時(shí)間為30 min；將偏壓設(shè)置為–800 V，選真空優(yōu)先模式，將工作氣壓設(shè)置為0.2 Pa，電流設(shè)置成80 A，打開Ti靶弧電源，用Ti+離子轟擊基片，時(shí)間為5 min；將偏壓設(shè)置為–200 V，通N2氣，選真空度優(yōu)先模式，將工作壓力設(shè)為2 Pa，打開Ti/TiB2靶弧電源，電流分別設(shè)置為相應(yīng)值，沉積TiBN/TiN目標(biāo)涂層，時(shí)間為60 min。具體沉積參數(shù)見表1。

圖1 多弧離子鍍沉積系統(tǒng)

1.2 結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

1）采用日本電子JEOL生產(chǎn)的JSM-7610F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的表面和截面形貌，最高電子加速電壓為20 kV。

2）采用MFT-4000型多功能材料表面性能試驗(yàn)儀測(cè)量涂層的摩擦磨損性能。摩擦副材料為直徑6 mm的氧化鋁小球，以載荷為10 N、200 mm/min的移動(dòng)速度在5 mm的范圍內(nèi)做往復(fù)摩擦，并連續(xù)測(cè)試60 min，測(cè)試溫度和相對(duì)濕度分別為28 ℃和80%。

3）使用電化學(xué)工作站（Corrtest-CS350，武漢科思特）對(duì)304不銹鋼基底和3種涂層分別進(jìn)行動(dòng)電位掃描及交流阻抗譜測(cè)試。腐蝕電解液為人工海水，其主要成分見表2。使用常規(guī)的由飽和Hg/Hg2Cl2參比電極、工作電極（測(cè)試樣品）和鉑絲輔助電極組成的三電極分析系統(tǒng)，動(dòng)電位掃描范圍為–1.2～2.0 V，掃描速度為0.000 167 mV/s，阻抗譜測(cè)試選擇掃描頻率為10 mHz～100 kHz、恒定振幅為10 mV的正弦信號(hào)。

表1 涂層沉積參數(shù)

表2 人工海水主要成分

Tab.2 Table of main components of artificial seawater　g/L

4）為研究涂層在人工海水中發(fā)生摩擦?xí)r的電化學(xué)行為，本試驗(yàn)采用蘭州華匯公司生產(chǎn)的MFT- EC4000電化學(xué)腐蝕摩擦磨損試驗(yàn)儀，分別對(duì)304不銹鋼基底及3種涂層在人工海水中發(fā)生相對(duì)摩擦?xí)r伴隨的電化學(xué)腐蝕行為進(jìn)行研究。電化學(xué)腐蝕摩擦磨損試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。合適的加載負(fù)荷通過壓頭施加到基片上，壓頭上裝配的傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量樣品與6 mm氧化鋁小球發(fā)生相對(duì)摩擦?xí)r的摩擦力。在試驗(yàn)時(shí)，底座帶動(dòng)樣品做固定頻率的前后移動(dòng)，壓頭保持不動(dòng)，設(shè)置頻率為0.5 Hz，往復(fù)滑動(dòng)距離為5 mm。同時(shí)，電化學(xué)工作站中由石墨輔助電極、Ag/AgCl參比電極、樣品工作電極組成的三電極系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集開路電位（OCP）的信息。在開展摩擦腐蝕行為測(cè)試前，先將樣品放入到3.5%NaCl飽和溶液中浸泡1 h。為了減少系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)前后，分別對(duì)樣品進(jìn)行5 min的靜態(tài)開路電位測(cè)試，用于對(duì)比靜態(tài)開路電位的變化。

圖2 摩擦腐蝕試驗(yàn)結(jié)構(gòu)原理

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層微結(jié)構(gòu)

在Si片表面沉積的TiN、TiBN及TiBN/TiN涂層的表面和截面SEM形貌如圖3所示。從圖3a1、b1、c1中可以看出，3種涂層的表面都分布著大顆粒、針孔、熔坑等電弧離子鍍沉積膜中常見的缺陷，其尺寸分布范圍為0.5～5.0 μm。相比于圖3a1中較大尺寸的缺陷分布，圖3b1、c1中缺陷尺寸明顯變小。這是由于沉積TiBN和TiBN/TiN涂層時(shí)所選擇的基片偏壓（200 V）和工作氣壓（2 Pa）較高造成的。因?yàn)檫m當(dāng)提高工作氣壓，弧光放電等離子體密度增加，在較高偏壓作用下，到達(dá)基片表面的離子數(shù)目多、能量高，對(duì)表面的作用效果更明顯，大顆粒液滴會(huì)被逐漸濺射和刻蝕，針孔和熔坑會(huì)被更多的沉積離子所填 充[11,15]。另外，TiBN和TiBN/TiN涂層表面可能形成非晶或納米晶硼化物，使得表面缺陷較柱狀晶TiN涂層表面少，致密度更高[10]。從圖3a2中的TiN截面形貌可以看出，TiN涂層呈現(xiàn)為典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，涂層總厚度約為1.8 μm；圖3b2中，基體上的TiN過渡層有著明顯的柱狀晶結(jié)構(gòu)，而目標(biāo)TiBN層與圖3a1中的TiN涂層截面相比，有著更為致密的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)锽元素的摻入，部分B以固溶態(tài)的形式存在于TiN晶體中，造成了TiN晶格畸變，一定程度阻礙了柱狀晶的生長(zhǎng)，從而細(xì)化了晶粒。TiBN/TiN涂層截面形貌（見圖3c2）顯示，其同樣有著較為致密的結(jié)構(gòu)。這是由于在基體上交替沉積了TiBN和TiN涂層，在交替的過程中，阻斷了柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，細(xì)化了晶粒，從而使得涂層結(jié)構(gòu)變得更為致密。另外，從涂層的厚度來看，在相同沉積時(shí)間下，涂層的沉積速率為TiBN/TiN>TiN>TiBN，也反映了不同陰極靶材料和陰極靶數(shù)目對(duì)涂層厚度的影響。

在Si片表面沉積的3種涂層的截面SEM-EDS線掃描結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，從涂層表面到一定深度處均出現(xiàn)了Si襯底的信號(hào)，且界面處存在原子擴(kuò)散，這是電弧離子鍍工藝中很常見的現(xiàn)象。因?yàn)殡娀‰x子鍍沉積效率高，大量載能離子和中性原子沉積到涂層表面，使得局部溫度升高，而且本工作中真空室在沉積之前就經(jīng)過400 ℃高溫處理，沉積原子在Si襯底界面出現(xiàn)相互擴(kuò)散是正常的。從一定深度處的原子計(jì)數(shù)率得知，TiN、TiBN和TiBN/ TiN涂層的厚度分別約為1.7、1.2、1.5 μm，前兩者與圖3a2、b2中測(cè)量的厚度相差不大，并且原子分布比較均勻。圖4c中多層TiBN/TiN涂層中，N含量比較均勻，Ti含量在近表面250 nm以下出現(xiàn)一個(gè)驟降，說明表面以下一定深度處，Ti含量不足，涂層中有可能出現(xiàn)Ti2N結(jié)晶相或是存在比較厚的滲氮非晶層[19]。

圖3 涂層表面及截面的SEM形貌

圖4 在Si片表面沉積的涂層截面的線掃描曲線

2.2 涂層摩擦學(xué)性能

干摩擦環(huán)境下，摩擦系數(shù)隨測(cè)試時(shí)間的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，在開始摩擦的1 min以內(nèi)，3種涂層的摩擦系數(shù)增加得很快，隨后保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的值。這是由于在干摩擦環(huán)境下的摩擦初始階段，涂層表面的有機(jī)污染物、大顆粒物和脫落的TiN等硬質(zhì)磨粒造成的粗糙面使得摩擦系數(shù)上升較快。在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的摩擦磨損后，這些污染物、硬質(zhì)磨粒等顆粒物被破壞或壓入涂層內(nèi)部，摩擦系數(shù)值逐漸降低。304不銹鋼、TiN涂層、TiBN/TiN復(fù)合涂層、TiBN涂層的平均摩擦系數(shù)分別約為0.68、0.58、0.53、0.55。3種涂層的摩擦系數(shù)相差不大，均比304不銹鋼基底的摩擦系數(shù)低。這說明在304不銹鋼表面沉積TiN、TiBN、TiBN/TiN涂層，均可以降低其表面的摩擦系數(shù)。

圖5 304不銹鋼及TiN基涂層摩擦系數(shù)隨測(cè)試時(shí)間的變化曲線

2.3 涂層耐腐蝕性能

304不銹鋼、TiN、TiBN及TiBN/TiN涂層在人工海水中的Nyquist圖如圖6所示。從圖6中可以看出，所有的試樣在人工海水中都呈現(xiàn)單容抗弧的特征，而在單一的容抗弧的交流阻抗譜中，容抗弧半徑的大小與被測(cè)試樣表面的轉(zhuǎn)移電阻呈正相關(guān)關(guān)系，即容抗弧越大，其抗腐蝕能力越強(qiáng)[22]。在人工海水溶液中，容抗弧半徑依次為TiBN/TiN>TiBN>304SS>TiN。3種涂層中，TiBN/TiN、TiBN涂層的容抗弧半徑大于304不銹鋼的容抗弧半徑，而TiN涂層的容抗弧半徑小于304不銹鋼的容抗弧半徑。這表明在304涂層表面沉積TiBN涂層和TiBN/TiN涂層均可以有效提高其抗腐蝕能力，沉積TiN涂層則不能提高基底的抗腐蝕能力。這可能是因?yàn)門iN涂層呈現(xiàn)為較為疏松的柱狀晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致涂層在遇到腐蝕溶液時(shí)，腐蝕液可以通過柱狀晶的空隙滲入涂層，從而增大了腐蝕液和涂層的接觸面積，這增大了表面發(fā)生腐蝕的趨勢(shì)。TiBN涂層呈現(xiàn)出比TiN涂層更好的耐腐蝕性能的原因可能是，B元素的引入，形成了以TiN晶體和非晶TiB2、BN化合物組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得TiBN涂層有著比TiN涂層更為致密的結(jié)構(gòu)，這與圖3b2相對(duì)應(yīng)。TiBN/TiN涂層之所以表現(xiàn)出最強(qiáng)的耐腐蝕性能，除了B元素的引入形成了更加致密的復(fù)合結(jié)構(gòu)外，還可能是因?yàn)榻惶娉练eTiBN和TiN層，打亂了原本柱狀生長(zhǎng)的柱狀晶結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)的涂層可以有效阻止腐蝕液往基底方向的滲透，減小了腐蝕液和基底的有效接觸面積，從而呈現(xiàn)出了好的耐腐蝕性能。

圖6 304不銹鋼及TiN、TiBN、TiBN/TiN涂層在人工海水中的Nyquist圖

不銹鋼基體和3種涂層的動(dòng)電位極化Tafel曲線如圖7所示?？梢钥闯?，4種樣品均呈現(xiàn)典型的鈍化曲線，說明都有著良好的鈍化行為。對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合，得到其自腐蝕電位（corr）及腐蝕電流密度（corr）結(jié)果見表3。自腐蝕電位表示其發(fā)生腐蝕的趨勢(shì)，其值越大，表示其發(fā)生腐蝕的可能性越小；而腐蝕電流密度表示的是發(fā)生腐蝕時(shí)電流密度的大小，腐蝕電流密度越小，則相對(duì)應(yīng)的抗腐蝕性能越強(qiáng)[23]。極化曲線的擬合結(jié)果表明，與304不銹鋼相比，TiBN和TiBN/TiN的自腐蝕電位分別提高了234、268 mV，自腐蝕電流均降低1個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性。其耐腐蝕性能的排序?yàn)椋篢iBN/TiN >TiBN>304 SS>TiN，與Nyquist圖相一致。

圖7 304不銹鋼及TiN、TiBN、TiBN/TiN涂層Tafel曲線

表3 樣品的極化曲線腐蝕參數(shù)

Tab.3 The corrosion parameters fitted from Tafel curve of the samples

2.4 涂層摩擦腐蝕行為分析

從圖8可以看出，在浸泡前期，4種樣品的OCP值從大到小為TiBN/TiN（–0.318 V）、TiBN（–0.324 V）、304不銹鋼（–0.396 V）、TiN（–0.407 V）。在摩擦腐蝕試驗(yàn)開始后，除304不銹鋼外，其余3種涂層的摩擦系數(shù)均逐漸增大，并最終達(dá)到較為穩(wěn)定的值。隨著相對(duì)摩擦的發(fā)生，4種樣品的開路電位均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，從浸泡階段到摩擦腐蝕階段，304不銹鋼樣品的OCP值下降不大，由浸泡時(shí)的–0.396 V下降到–0.403 V左右，下降幅度為–0.007 V；TiN涂層的OCP值從–0.407 V下降至約–0.432 V，下降幅度為–0.025 V；TiBN涂層的OCP值從–0.324 V下降至約–0.338 V，下降幅度為–0.014 V；TiBN/TiN涂層的OCP值從–0.318 V先劇烈下降至–0.525 V，后逐漸回復(fù)至–0.375 V左右。

這說明在摩擦腐蝕發(fā)生時(shí)，樣品的耐腐蝕性能均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象的可能原因是，在摩擦和腐蝕同時(shí)進(jìn)行的過程中，由于在相對(duì)摩擦的作用下，原本已形成的阻止腐蝕擴(kuò)展的致密氧化膜層被破壞，導(dǎo)致溶液直接與樣品發(fā)生接觸，溶液中的Cl－等隨之滲入到被破壞的涂層中，增大了涂層表面的化學(xué)反應(yīng)活性，導(dǎo)致樣品的耐腐蝕性能下降[6]。在摩擦腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，4種樣品的靜態(tài)開路電位均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)樣品和氧化鋁球不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有充足的時(shí)間形成氧化膜而不被破壞，隨著氧化膜的形成，4種樣品的開路電位也逐漸上升。

圖8 摩擦腐蝕曲線

TiBN/TiN涂層/304SS體系的摩擦腐蝕過程如圖9所示。造成TiBN/TiN涂層OCP值從–0.318 V先劇烈下降至–0.525V的原因可能是，由于TiBN/TiN涂層是交替的多層結(jié)構(gòu)，隨著摩擦腐蝕的開始，在表面的多層結(jié)構(gòu)被破壞，溶液通過表面縫隙迅速滲入到多層涂層的層間結(jié)構(gòu)中，這大幅度地增加了溶液和涂層的接觸面積，使TiBN/TiN涂層的OCP值迅速下降。除了與氧化鋁球發(fā)生相對(duì)摩擦的部分，多層內(nèi)部的層間結(jié)構(gòu)并未發(fā)生相對(duì)摩擦，氧化層逐漸形成，阻止了層間腐蝕行為的繼續(xù)進(jìn)行。因此，TiBN/TiN涂層OCP值在摩擦腐蝕的后半階段表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

圖9 TiBN/TiN涂層摩擦腐蝕過程

3 結(jié)論

采用電弧離子鍍技術(shù)在304不銹鋼表面制備了TiN、TiBN和TiBN/TiN涂層，對(duì)304不銹鋼及3種涂層的摩擦系數(shù)、電化學(xué)耐腐蝕性能和摩擦腐蝕行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1）SEM圖像顯示，相比于單一TiN涂層，適當(dāng)提高基片偏壓和工作氣壓有利于降低TiBN和TiBN/TiN涂層表面的缺陷，TiN呈現(xiàn)出較為疏松的柱狀晶生長(zhǎng)，而TiBN和TiBN/TiN則呈現(xiàn)出相對(duì)致密的結(jié)構(gòu)。

2）電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，4種樣品的Nyquist圖均呈現(xiàn)出典型的單容抗弧特征，容抗弧半徑依次為TiBN/TiN>TiBN>304 SS>TiN，表明多層TiBN/TiN涂層表現(xiàn)出最高的耐腐蝕性能，TiBN涂層次之，單層TiN涂層較基片低。從Tafel 曲線得到的自腐蝕電位和自腐蝕電流參數(shù)與EIS結(jié)果保持一致，說明在304不銹鋼表面分別鍍覆TiN基TiBN涂層和TiN基TiBN/TiN多層涂層，涂層的耐腐蝕性顯著提高，僅有柱狀晶結(jié)構(gòu)的TiN涂層反而會(huì)加速腐蝕的程度。

3）干摩擦環(huán)境下，TiN、TiBN和TiBN/TiN涂層的平均摩擦系數(shù)約為0.55，比304 SS低。不銹鋼及3種涂層在人工海水中發(fā)生相對(duì)摩擦?xí)r，電位均發(fā)生了下降，表明相對(duì)摩擦?xí)沟酶g效果增殖，而TiBN和多層TiBN/TiN涂層由于結(jié)構(gòu)較TiN更加致密，抗摩擦腐蝕性能更好。

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Preparation and Antiwear and Anticorrosion Properties of TiN-based Monolayer/Multilayer Coatings on 304 Stainless Steel

,,,,,,

(School of Physics and Technology, Lingnan Normal University, Guangdong Zhanjiang 524048, China)

This work aims to investigate the coexisting antiwear and anticorrosion properties of coatings on steels applied in Marine environment. TiN, TiBN and TiBN/TiN coatings were deposited on the surface of 304 stainless steels and Si substrates by arc ion plating, respectively. The surface and cross-sectional morphology, friction coefficient, electrochemical corrosion performance and tribocorrosion behavior in artificial seawater of the samples were tested. The results showed that their dry friction coefficients are almost 0.55 compared to 0.68 for the virgin 304 SS. And TiBN and TiBN/TiN coatings had much denser microstructure than columnar crystal TiN. The results of electrochemical tests showed that TiBN/TiN coatings possess the best corrosion resistance, followed by TiBN coating, while TiN coating showed worse corrosion resistance than 304 SS. In the process of friction corrosion test, the values of open circuit potential for the three coatings decreased, indicating that the on-going friction in the artificial seawater will largely increase the tendency of corrosion of the coatings, and more uniformly dense coatings that was easily to form the surface passivated layer probably exhibit an excellent antiwear and anticorrosion feature.

arc ion plating; TiN-based coating; corrosion resistance; friction corrosion; monolayer/multilayer

TG174.4

A

1001-3660(2022)05-0121-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.05.013

2022–01–24；

2022–04–24

2022-01-24；

2022-04-24

廣東省科技計(jì)劃（對(duì)外合作）項(xiàng)目（2018A050506082，2020A0505100059，2021A0505060009）；廣東省自然科學(xué)基金（2021A1515011928，2020A1515011488，2022A1515011137，2020A1515011451）；廣東省海外名師項(xiàng)目（2020A1414010198）；湛江市科技計(jì)劃（2019A03009，2018A01006）；廣東省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2020KCXTD032）

Guangdong Provincial Science and Technology Planning Project (2018A050506082, 2020A0505100059, 2021A0505060009); Provincial Natural Science Fund (2021A1515011928, 2020A1515011488, 2022A1515011137, 2020A1515011451); Provincial Overseas Expert Grant (2020A1414010198); Zhanjiang Science and Technology Project (2019A03009, 2018A01006); Team Project of Provincial Education Department (2020KCXTD032)

項(xiàng)燕雄（1991—），男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ獭?/p>

XIANG Yan-xiong (1991-), Male, Master, Assistant lab master, Research focus: surface engineering.

王澤松（1983—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ碳安牧细男浴?/p>

WANG Ze-song (1983-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: surface engineering and materials modification.

項(xiàng)燕雄, 王澤松, 劉貴昂, 等. 304不銹鋼表面單層/多層TiN基涂層制備及耐磨蝕性能研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(5): 121-128.

XIANG Yan-xiong, WANG Ze-song, LIU Gui-ang, et al. Preparation and Antiwear and Anticorrosion Properties of TiN-based Monolayer/ Multilayer Coatings on 304 Stainless Steel[J]. Surface Technology, 2022, 51(5): 121-128.

責(zé)任編輯：劉世忠