占空比對發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金表面微弧沉積Al2O3 - TiO2涂層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響

朱 斌

(浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 ，浙江 紹興 312000)

0 前 言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，對發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的性能提出了更高的要求，要求發(fā)動(dòng)機(jī)可以在高溫、高載荷、高磨損和腐蝕環(huán)境的工況下保持工作并有較長的服役壽命。這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件具有更好的力學(xué)性能、耐磨性和耐蝕性[1-4]。鈦合金由于化學(xué)性能穩(wěn)定、耐蝕性高、抗疲勞能力良好、比強(qiáng)度高，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工況需求的發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件中，但鈦合金的硬度及抗磨損性能一般。為改善鈦合金的綜合性能以滿足生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，需對鈦合金進(jìn)行表面處理。

微弧火花沉積技術(shù)又被稱為電火花沉積技術(shù)(ESD)。該表面處理技術(shù)是利用脈沖短周期、頻率高的脈沖電流流過陽極材料的頂端，使得陽極材料融化，然后融化的陽極材料再滴到陰極待鍍工件表面，最終得到經(jīng)過微弧沉積改性的材料。本工作通過微弧火花沉積技術(shù)對鈦合金的表面進(jìn)行改性，使得鈦合金表面沉積一層Al2O3- TiO2涂層。微弧火花沉積技術(shù)屬于脈沖焊接技術(shù)，脈沖電流的參數(shù)會(huì)對沉積后的涂層造成影響，而占空比是脈沖電流中的一個(gè)重要參數(shù)，占空比的不同會(huì)對改性后的涂層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能造成影響[5]。本工作主要研究占空比對發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金表面微弧沉積Al2O3- TiO2涂層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 微弧火花沉積設(shè)備和涂層的制備

選用DZS - 1400微弧火花沉積設(shè)備。本工作的微弧火花沉積裝置包括3個(gè)部分，分別為主電源，惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)和沉積槍。主電源部分負(fù)責(zé)整個(gè)沉積過程中實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)，包括電源電壓、電源功率、脈沖電源頻率和脈沖電源的占空比。本工作的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：電源功率1 000 W，電源電壓100 V，脈沖頻率600 Hz，保護(hù)氣(氬氣)流量9 L/min。

本工作微弧火花沉積實(shí)驗(yàn)的變量為脈沖電源的占空比(30%、40%、50%)。實(shí)驗(yàn)用鈦合金基體的成分如表1所示。

表1 微弧火花沉積鈦合金基體成分

1.2 微弧火花沉積層厚度測試

采用環(huán)氧樹脂對切割后的采用不同占空比制得的涂層進(jìn)行塑封，露出沉積涂層的橫截面，之后依次利用60,150，800，1 500，2 000，3 000目的耐水砂紙對試樣橫截面進(jìn)行機(jī)械打磨，然后對試樣表面進(jìn)行拋光處理。拋光之后的沉積涂層用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精刻蝕2 min，之后采用ZEISS Axio Scope.A1金相顯微鏡測量沉積涂層的厚度。每個(gè)沉積涂層分別測4處厚度，之后取平均值作為參考。

1.3 微弧火花沉積層表面粗糙度測試

采用ix81激光共聚焦顯微鏡測量微弧火花沉積涂層的表面粗糙度，激光共聚焦顯微鏡的分辨率為100 nm，在微弧火花沉積涂層的表面隨機(jī)選取3處進(jìn)行測試，采用3個(gè)測試點(diǎn)的輪廓算術(shù)平均差Ra來表征微弧火花沉積涂層的表面粗糙度。

1.4 微弧火花沉積層的力學(xué)性能測試

采用Berkovich壓頭納米壓痕儀表征微弧火花沉積涂層的力學(xué)性能。測試時(shí)的應(yīng)變?yōu)?.05 /s，泊松比為0.25，熱漂移0.05 nm/s,采用位移加載方式進(jìn)行涂層力學(xué)性能表征。

1.5 微弧火花沉積層的微觀結(jié)構(gòu)分析

采用蔡司SIMGA 500場發(fā)射電子顯微鏡觀察微弧火花沉積涂層表面和截面的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果和討論

2.1 脈沖占空比對微弧火花沉積層厚度的影響

不同占空比參數(shù)下得到的微弧火花沉積涂層的截面金相形貌見圖1。不同占空比下制得的微弧火花沉積涂層的厚度和平均厚度見表2。

表2 不同占空比下制得的微弧火花沉積涂層的厚度和平均厚度 μm

從表2可以看出，隨著脈沖占空比的增大，沉積涂層的平均厚度逐漸增大，當(dāng)脈沖占空比達(dá)到50%時(shí)，微弧火花沉積涂層的平均厚度可以達(dá)到29.58 μm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著脈沖占空比的增加，每次脈沖周期的放電總量和能量儲(chǔ)存總量增大，電極和鈦合金基體接觸點(diǎn)的熔池溫度也增大，因此有利于Al2O3- TiO2復(fù)合涂層和鈦合金金屬基體產(chǎn)生良好的結(jié)合。最終形成隨著脈沖占空比增大，沉積涂層平均厚度增大的現(xiàn)象。但是，脈沖占空比并非越大越好，若脈沖占空比過高，會(huì)造成在單次脈沖周期內(nèi)釋放的總能量過高，就會(huì)導(dǎo)致熔池過熱、熱影響區(qū)過大[3]，可能會(huì)對基體金屬的組織結(jié)構(gòu)造成影響。后續(xù)試驗(yàn)應(yīng)繼續(xù)探究臨界占空比。

2.2 脈沖占空比對微弧火花沉積層表面粗糙度的影響

表面粗糙度是評價(jià)微弧火花沉積涂層性能的一個(gè)重要依據(jù)，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件的生產(chǎn)之中，表面粗糙度會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)表面的密封性與發(fā)動(dòng)機(jī)和其他零部件組裝時(shí)的配合性。以往有研究[4]認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的表面粗糙度越低，和其他零部件組裝的配合性越好。因此在制備微弧火花沉積涂層時(shí)， 沉積涂層的表面粗糙度越低，后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)加工組裝的成本越低。不同脈沖占空比下制備的沉積涂層的表面粗糙度如圖2所示。隨著脈沖占空比的增大，沉積涂層的表面粗糙度下降，占空比為50%時(shí)，微弧火花沉積涂層的表面粗糙度Ra達(dá)到最小值，約為2 μm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)占空比為30%時(shí)，每個(gè)脈沖周期的充電時(shí)間較長，放電時(shí)間較短，陽極尖端所產(chǎn)生的熔滴連續(xù)性較低，使鈦合金基體上形成凹凸不平的表面狀態(tài)，表面粗糙度Ra較大。而當(dāng)占空比達(dá)到50%時(shí)，每個(gè)脈沖周期的充電時(shí)間縮短，放電時(shí)間變長，使得陽極尖端的熔滴向鈦合金基體過渡的連續(xù)性增大，Al2O3- TiO2熔滴更快速地過渡到鈦合金基體金屬表面，使得表面的沉積連續(xù)性和均勻性提高，表面粗糙度Ra減小。

2.3 脈沖占空比對微弧火花沉積層微觀結(jié)構(gòu)的影響

不同脈沖占空比下微弧火花沉積制備的涂層形貌如圖3所示。

從圖3中可以看出，當(dāng)脈沖占空比逐漸增大時(shí)，Al2O3- TiO2脈沖沉積涂層表面的微孔逐漸增多。圖3a是脈沖占空比為30%時(shí)得到的Al2O3- TiO2微弧沉積涂層，沉積涂層的表面粗糙不平，微孔半徑較大且數(shù)量較少，圖3b是脈沖占比為40%時(shí)得到的Al2O3- TiO2微弧沉積涂層，與圖3a比較，微孔的數(shù)量變多，但微孔的半徑減小。圖3c是脈沖占比為50%時(shí)得到的Al2O3- TiO2微弧沉積涂層，在3組對比實(shí)驗(yàn)中，圖3c所示涂層表面最為平整，均勻。造成這種結(jié)果的主要原因是隨著脈沖占空比的增大，每個(gè)脈沖周期儲(chǔ)存和釋放的電能更多，微弧放電時(shí)電極尖端的溫度更高，導(dǎo)致微弧火花沉積初期形成的涂層被重復(fù)擊破，所以當(dāng)脈沖占空比由30%變?yōu)?0%時(shí)，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層表面的微孔逐漸增多，微孔的半徑減小，表面更均勻。

2.4 脈沖占空比對微弧火花沉積層力學(xué)性能的影響

對不同脈沖占空比條件下制備的Al2O3- TiO2微弧沉積涂層分別進(jìn)行力學(xué)性能測試，由于Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的厚度在25～30 μm左右，為了保證沉積涂層的邊界不會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)置納米壓痕最大下壓深度為1 000 nm?；w及不同脈沖占空比下的Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的彈性模量如表3所示。從表3中可以看出，隨著脈沖占空比的增大，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的彈性模量也逐漸增大，當(dāng)脈沖占空比為50%時(shí)，試樣的彈性模量達(dá)到最大值260.2 GPa。

表3 基體及不同占空比下微弧火花沉積涂層的彈性模量

圖4為基體及不同占空比下制得的Al2O3- TiO2微弧火花沉積涂層的壓入深度和硬度關(guān)系曲線。

由圖4可以看出，不論是基體還是不同脈沖占空比下的微弧沉積涂層，在壓入深度很小的時(shí)候，表面的硬度均很大，當(dāng)壓入深度逐漸增大時(shí)，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的硬度慢慢減小。當(dāng)壓入深度超過600 nm時(shí)，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的硬度變化趨于平穩(wěn)。從圖4中還可以看出，隨著脈沖占空比的逐漸增大，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的硬度增大，脈沖占空比為50%時(shí)，沉積涂層的硬度達(dá)到最大。硬度隨著占空比增大而增大的原因可以從沉積涂層的微觀結(jié)構(gòu)分析，由圖3可以得知隨著脈沖占空比的逐漸增大，沉積涂層的微孔半徑逐漸減小，表面粗糙度Ra也逐漸減小，沉積膜層的組織結(jié)構(gòu)也逐漸穩(wěn)定，所以隨著脈沖占空比的增大，沉積涂層的硬度也逐漸增大。彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的指標(biāo)，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的反映。彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。當(dāng)脈沖占空比為50%時(shí)，沉積涂層的硬度達(dá)到最大，抵抗變形能力也達(dá)到最大值，即脈沖占空比為50%時(shí)，沉積涂層的彈性模量也達(dá)到最大值。

3 結(jié) 論

本工作通過微弧火花沉積技術(shù)，在30%、40%、50%的脈沖占空比條件下在鈦合金基體上制備了3種不同的Al2O3- TiO2微弧沉積涂層。研究顯示，不同的脈沖占空比會(huì)對Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能造成一定程度上的影響：

(1)隨著脈沖占空比從30%逐漸增大到50%，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的厚度逐漸增大，表面粗糙度Ra逐漸減小。當(dāng)脈沖占空比為50%時(shí)，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層達(dá)到最大平均厚度(29.58 μm)和最小表面粗糙度Ra(約2 μm)。

(2)隨著脈沖占空比從30%逐漸增大到50%，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層在微觀結(jié)構(gòu)上的微孔逐漸增多，微孔半徑逐漸減小。

(3)隨著脈沖占空比從30%逐漸增大到50%，Al2O3- TiO2微弧沉積涂層的硬度和彈性模量逐漸增大，當(dāng)脈沖占空比為50%時(shí)，沉積涂層的彈性模量和硬度值均達(dá)到最大。