Inconel 718 合金表面納米多層CrAlN/CrN涂層的制備及高溫摩擦學(xué)性能研究

宋宇濤，李春玲，張淑珍，尚倫霖，張廣安

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

Inconel 718 合金因具有良好的抗氧化、抗疲勞、抗蠕變和焊接、加工性能，以及較高的強(qiáng)度和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、冶金和核能等領(lǐng)域[1]。然而，表面硬度低、耐磨性差等問題嚴(yán)重影響了以Inconel 718 合金為基材的軸、軸承、轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)零部件在高頻、高載、高溫交互作用工況中的服役壽命。因此，優(yōu)化基材的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，對(duì)提高以Inconel 718 合金為基材的零部件在極端工況下的使用性能至關(guān)重要。

制備耐磨防護(hù)涂層是改善基材表面硬度和耐磨性的有效方法之一[2]，國(guó)內(nèi)許多研究者開展了Inconel 718 合金表面涂層制備和相關(guān)性能研究的工作。夏思瑤等[3]采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在Inconel 718 合金表面制備了鋁化物涂層，研究了涂層及基體在650 ℃的高溫持久性能及在455 ℃的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)鋁化物涂層試樣的高溫持久性能相比于基體小幅提高，鋁化物涂層也在一定程度上降低了基體的疲勞性能。丁坤英等[4]采用超音速火焰噴涂技術(shù)在Inconel 718 合金表面制備了WC-17Co 涂層，考察了涂層在室溫至300 ℃溫度范圍內(nèi)的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)涂層的疲勞壽命在該溫度范圍內(nèi)隨環(huán)境溫度的上升而下降。廖孟德[5]采用多弧離子鍍技術(shù)在Inconel 718 合金表面制備了氧化鉻涂層，研究了涂層在室溫至800 ℃范圍內(nèi)的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)涂層在800 ℃條件下具有最低的磨損率。付英英等[6]采用磁控濺射技術(shù)在不銹鋼基材上制備了CrN 和CrAlN 涂層，考察了涂層在不同介質(zhì)中的摩擦磨損機(jī)理。李文生等[7]采用多弧離子鍍技術(shù)在316 不銹鋼基體表面制備CrAlN 單層和CrN/CrAlN 多層涂層，研究了涂層在海水環(huán)境中的腐蝕磨損性能。此外，由于納米多層結(jié)構(gòu)涂層具有較高的硬度和韌性[8，9]，而被廣泛用作切削刀具表面的減磨耐磨涂層。目前，在Inconel 718 合金表面制備多層、納米多層結(jié)構(gòu)涂層及其高溫摩擦學(xué)性能的研究工作較少，其制備工藝和性能還需要進(jìn)一步研究。為此，本工作采用多弧離子鍍技術(shù)在Inconel 718 合金表面制備納米多層CrAlN/CrN 涂層，分析其相組成、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和在不同溫度下的摩擦學(xué)性能，并對(duì)相關(guān)磨損機(jī)制進(jìn)行探究，為Inconel 718合金基材零部件在不同溫度條件下的表面耐磨防護(hù)提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 涂層制備

采用多弧離子鍍沉積系統(tǒng)，通過濺射AlCr 靶[64%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Al+36%Cr]和Cr 靶(純度99.9%)，在Inconel 718 合金基體(30 mm×30 mm×2 mm)表面沉積CrAlN/CrN 涂層。首先將Inconel 718 合金基體拋光至表面粗糙度Ra≤0.25 μm，再分別使用石油醚和無水乙醇超聲清洗15 min，并用干燥N2吹干后固定在樣品架上。涂層沉積前將基體加熱到420 ℃，并抽真空至4×10-3Pa 后通入100 mL/min 高純度Ar 氣，在200 V偏壓下解離、蝕刻基體40 min。隨后通入高純度N2并保持腔內(nèi)壓強(qiáng)為4 Pa，先開啟Cr 靶沉積CrN 過渡層，再同時(shí)開啟AlCr 靶和Cr 靶，通過樣品轉(zhuǎn)架的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)沉積厚度及成分均勻的CrAlN/CrN 層，圖1 為基體裝夾方式及轉(zhuǎn)架示意圖。沉積過程中，基體偏壓為50 V，靶基距為20 cm，轉(zhuǎn)速為3 r/min，沉積時(shí)間為90 min，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 CrAlN/CrN 涂層的沉積參數(shù)Table 1 Deposition parameters ofCrAlN/CrN coating

圖1 基體裝夾方式及轉(zhuǎn)架示意圖Fig.1 Schematic diagram of substrate clamping method and sample holder

1.2 涂層表征

采用PANalytical 型X 射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相結(jié)構(gòu)，以Cu Kα 射線源作為X 射線發(fā)射源，掃描速度為7 (°)/min，掃描范圍為20°～90°。使用微區(qū)XRD 對(duì)磨痕內(nèi)部進(jìn)行測(cè)試。采用TESCAN MIRA3 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的表面形貌和橫截面的微觀結(jié)構(gòu)，并通過SEM 配套的能譜儀(EDS)測(cè)量涂層中元素的含量。使用PerkinElmer PHI-5702 型X 射線光電子能譜儀(XPS)分析涂層中元素的化學(xué)態(tài)。采用TTX-NHT2 型納米壓痕儀表征涂層的硬度和彈性模量，在涂層表面進(jìn)行了4 次測(cè)試并計(jì)算其平均值，其中金剛石壓頭的法向載荷為30 mN，最大壓痕深度設(shè)定為250 nm，為避免基材對(duì)涂層的影響，壓痕的深度小于涂層厚度的1/10。通過CST3 型劃痕測(cè)試儀評(píng)估涂層和基體之間的結(jié)合力，施加載荷為1～100 N，劃痕長(zhǎng)度為5 mm。

1.3 摩擦學(xué)試驗(yàn)

使用UMT Tribolab 型往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在室溫、350 ℃和650 ℃下研究涂層和Inconel 718 合金基體的摩擦學(xué)性能，采用直徑為6 mm 的Al2O3球作為對(duì)磨副，設(shè)置參數(shù)如下:往復(fù)滑動(dòng)頻率2 Hz，法向載荷2 N，摩擦?xí)r間1 800 s，往復(fù)行程長(zhǎng)度5 mm。使用D-100 型二維輪廓儀測(cè)量涂層磨痕的橫截面面積，每個(gè)磨痕上至少選擇3 個(gè)不同位置，通過式(1)計(jì)算磨損率(W):

式中，V為磨痕的磨損體積，mm3；F為法向載荷，N；S為磨痕總長(zhǎng)度，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層結(jié)構(gòu)與微觀形貌

表2 為CrAlN/CrN 涂層的成分。圖2 為CrAlN/CrN 涂層的XRD 譜，涂層存在4 個(gè)衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于fcc-CrN 相的(111)、(200)、(220)和(311)晶面。圖2中的衍射峰與CrN 的標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片76-2494 中對(duì)應(yīng)的峰位大致相同，但仍有略微的偏差，這歸因于半徑較小的Al 原子取代了Cr 原子，通過固溶形式存在于CrN 晶格內(nèi)，從而引起晶格參數(shù)的變化，使衍射峰發(fā)生偏移。據(jù)報(bào)道[10]，涂層的擇優(yōu)取向由應(yīng)變能(Uhkl)和表面能(Shkl)確定。當(dāng)由表面能主導(dǎo)時(shí)，涂層沿(200)晶面生長(zhǎng)；當(dāng)由應(yīng)變能主導(dǎo)時(shí)，涂層則沿著(111) 晶面生長(zhǎng)[11]。因此，CrAlN/CrN 涂層在(200)晶面具有擇優(yōu)取向，意味著涂層的生長(zhǎng)主要由表面能控制。

表2 CrAlN/CrN 涂層的成分(原子分?jǐn)?shù)) %Table 2 Composition ofCrAlN/CrN coating(atomic fraction)%

圖2 CrAlN/CrN 涂層的XRD 譜Fig.2 XRD patterns ofCrAlN/CrN coating

圖3 為CrAlN/CrN 涂層表面和截面的SEM 形貌。從圖3a 中可以看出，CrAlN/CrN 涂層表面粗糙度較大，粗糙度均值約為400 nm，此外，涂層表面分布著許多微孔洞和金屬液滴，呈現(xiàn)多弧離子鍍制備硬質(zhì)涂層的典型形貌特征。從圖3b 中可以看出，涂層的微觀結(jié)構(gòu)呈柱狀生長(zhǎng)方式，無明顯的缺陷，這有助于改善涂層的力學(xué)性能。此外，CrAlN/CrN 涂層由底部的CrN 過渡層和頂部的CrAlN/CrN 納米多層組成，厚度分別為2.32 μm和7.64 μm，CrAlN/CrN 涂層總厚度為9.96 μm。同時(shí)，對(duì)圖3b 中涂層截面A 區(qū)域放大后可觀察到明暗相間的層狀條紋(如圖3c 所示)，表明涂層為納米多層結(jié)構(gòu)。

圖3 CrAlN/CrN 涂層表面和截面的SEM 形貌Fig.3 Surface and cross-sectional morphologies of CrAlN/CrN coating

圖4 為CrAlN/CrN 涂層的XPS 譜。圖4a 中，Cr 2p 3/2 和Cr 2p 1/2 可擬合為584.1，584.8，586.4 eV 附近的3 個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)于Cr-Cr、Cr-N 和Cr-O 鍵[12]。擬合圖4b 后獲得2 個(gè)峰，位于73.9 eV 處的峰對(duì)應(yīng)于Al-N鍵，位于77.9 eV 處的峰則對(duì)應(yīng)于氮氧化鋁[13]。圖4c 中呈現(xiàn)出Cr-N 鍵的強(qiáng)峰，位于396.5 eV 處，而399.1 eV 附近的弱峰則對(duì)應(yīng)于Al-N 鍵[14]。XRD 譜(圖3)和XPS譜(圖4)均表明CrAlN/CrN 涂層中以CrN 相為主。

圖4 CrAlN/CrN 涂層的XPS 譜Fig.4 XPS patterns of CrAlN/CrN coating

2.2 涂層的力學(xué)性能

圖5 為CrAlN/CrN 涂層的載荷-位移曲線和平均納米硬度(H) 及彈性模量(E)。表3 為CrAlN/CrN 涂層及Inconel 718 合金基體的力學(xué)性能。

表3 CrAlN/CrN 涂層及Inconel 718 合金基體的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties ofCrAlN/CrN coating and Inconel 718 alloy substrate

圖5 CrAlN/CrN 涂層的載荷-位移曲線和平均納米硬度及彈性模量Fig.5 oad-displacement curves and average nano-hardness and elastic modulus

由圖5 和表3 可以看出，CrAlN/CrN 涂層的硬度和彈性模量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Inconel 718 合金基體。此外，H/E能夠反映抵抗彈性應(yīng)變失效能力，而H3/E2能夠反映抵抗塑性變形的能力[15，16]。CrAlN/CrN 涂層的H/E和H3/E2均大于Inconel 718 合金基體。以上結(jié)果表明納米多層CrAlN/CrN 涂層具有良好的抵抗彈性應(yīng)變和塑性變形的能力，這有利于提高涂層的耐磨性。

圖6 為CrAlN/CrN 涂層在劃痕測(cè)試載荷變化期間產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)和劃痕的表面形貌。劃痕試驗(yàn)開始時(shí)，表面痕跡較淺，載荷增大到22.6 N 時(shí)，聲信號(hào)發(fā)生突變，劃痕表面出現(xiàn)微小的裂紋，這表示涂層開始失效，此時(shí)的臨界載荷為L(zhǎng)c1，通常被定義為裂紋起始點(diǎn)[17]。隨著載荷繼續(xù)增大，涂層開始連續(xù)剝落，劃痕中有基體裸露，此時(shí)的臨界載荷為L(zhǎng)c2，通常用于定義涂層的結(jié)合力[18]。據(jù)此分析，Inconel 718 合金表面CrAlN/CrN 涂層的Lc2 值約為70.4 N，CrAlN/CrN 涂層與基體表現(xiàn)出良好的膜-基結(jié)合力。

圖6 CrAlN/CrN 涂層在劃痕測(cè)試載荷變化期間產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)和劃痕的表面形貌Fig.6 Acoustic emission signal and surface morphologies of CrAlN/CrN coating during scratch test load change

2.3 涂層的摩擦學(xué)行為

圖7 為CrAlN/CrN 涂層和Inconel 718 合金基體在室溫(RT)、350 ℃和650 ℃下的摩擦系數(shù)曲線和磨損率。由圖7a 可以看出，涂層在室溫和350 ℃下的摩擦測(cè)試中經(jīng)過短時(shí)間跑合后進(jìn)入穩(wěn)定期，摩擦系數(shù)分別約為0.5 和0.7，相比Inconel 718 合金顯得低而穩(wěn)定；當(dāng)溫度升高到650 ℃時(shí)，涂層的摩擦系數(shù)與Inconel 718合金相當(dāng)，穩(wěn)定階段降至0.33 左右，達(dá)到涂層的最低摩擦系數(shù)，這主要是由于涂層在高溫摩擦過程中發(fā)生了氧化，涂層在連續(xù)的摩擦過程中形成了氧化物層而產(chǎn)生潤(rùn)滑效果，從而降低了摩擦系數(shù)[19]。如圖7b 所示，CrAlN/CrN 涂層在室溫和350 ℃下的磨損率分別為1.5×10-6mm3/(N·m)和1.7×10-6mm3/(N·m)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Inconel 718 合金的6.2×10-5mm3/(N·m)和1.9×10-4mm3/(N·m)，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。650 ℃時(shí)涂層的磨損率較Inconel 718 合金明顯升高，約為1.2×10-5mm3/(N·m)，這可能是由于涂層在高溫下硬度降低，導(dǎo)致涂層磨損加劇。

圖7 CrAlN/CrN 涂層和Inconel 718 合金基體的摩擦系數(shù)曲線及磨損率Fig.7 Friction coefficient curve and wear rateof CrAlN/CrN coating and Inconel 718 alloy substrate

為了進(jìn)一步探究CrAlN/CrN 涂層的磨損機(jī)理，分別對(duì)CrAlN/CrN 涂層在不同溫度下的磨痕形貌進(jìn)行分析。CrAlN/CrN 涂層在室溫下的磨痕形貌及元素分布見圖8。在室溫下，涂層的磨痕較淺，磨痕寬度為182.19 μm，磨痕表面較為光滑，部分區(qū)域分布著少量磨粒，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。圖8c 表明，磨損痕跡內(nèi)O 元素較為富集，表明涂層在室溫下磨損時(shí)也會(huì)發(fā)生輕微的氧化現(xiàn)象。

圖8 CrAlN/CrN 涂層在室溫下的磨痕形貌及元素分布Fig.8 Wear trace morphologies and elemental distribution of CrAlN/CrN coating at room temperature

CrAlN/CrN 涂層在350 ℃下的磨痕形貌及元素分布見圖9。350 ℃時(shí)，可以觀察到磨痕的寬度(147.05 μm)小于室溫下的寬度，其磨痕內(nèi)部平整光滑，并未發(fā)現(xiàn)材料黏附或磨屑堆積的現(xiàn)象，只出現(xiàn)了少量片狀剝落的情況，這是由于在負(fù)載條件下的摩擦過程中，應(yīng)力集中在中心接觸區(qū)域，產(chǎn)生微裂紋，隨著摩擦過程的繼續(xù)，裂紋不斷擴(kuò)展，最終使涂層發(fā)生剝落，磨損機(jī)制主要為疲勞磨損。圖9c 顯示Al 元素主要分布在涂層未磨損區(qū)域，而Cr 和O 元素富集在磨痕內(nèi)，表明涂層在350 ℃下的摩擦過程中形成了部分Cr 的氧化物。

圖9 CrAlN/CrN 涂層在350 ℃下的磨痕形貌及元素分布Fig.9 Wear trace morphologies and element distribution of CrAlN/CrN coating at 350 ℃

CrAlN/CrN 涂層在650 ℃下的磨痕形貌及元素分布見圖10。650 ℃時(shí)，可以觀察到磨痕的寬度(235.71 μm)相比室溫和350 ℃下的更寬，表明涂層在650 ℃下的磨損較為嚴(yán)重。觀察發(fā)現(xiàn)，磨痕內(nèi)分布著大量磨屑顆粒，同時(shí)還出現(xiàn)了許多平行于滑動(dòng)方向的犁溝，這是摩擦過程中磨粒劃傷涂層表面造成的。CrAlN/CrN涂層在650 ℃下的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。圖10c顯示磨痕內(nèi)出現(xiàn)了Cr 和O 元素的富集，表明磨痕內(nèi)形成了Cr 的氧化物。

圖10 CrAlN/CrN 涂層在650 ℃下的磨痕形貌及元素分布Fig.10 Wear trace morphologies and element distribution of CrAlN/CrN coating at 650 ℃

此外，隨著測(cè)試溫度的升高，磨痕內(nèi)部的Cr 氧化物富集現(xiàn)象愈加明顯，大量的氧化物覆蓋在磨痕表面，使EDS 分析時(shí)得到的Al 元素含量明顯降低。為了進(jìn)一步分析涂層的摩擦產(chǎn)物，對(duì)磨痕內(nèi)部進(jìn)行XRD 分析，CrAlN/CrN 涂層在不同溫度下磨痕內(nèi)的高分辨XRD 譜如圖11 所示。由圖11 可知，涂層在不同溫度下的衍射峰位置相同，包括涂層本身的CrN 強(qiáng)峰，以及Cr2O3和Al2O3的弱峰，表明涂層在不同溫度下摩擦?xí)r均發(fā)生了氧化現(xiàn)象。

圖11 CrAlN/CrN 涂層在不同溫度下磨痕內(nèi)的高分辨XRD 譜Fig.11 High-resolution XRD patterns ofCrAlN/CrN coating within the wear marks at different temperatures

3 結(jié) 論

(1)通過多弧離子鍍技術(shù)沉積了納米多層CrAlN/CrN 涂層，其主要由fcc-CrN 相組成，在(200)晶面擇優(yōu)取向。涂層由CrN 過渡層和CrAlN/CrN 納米多層組成，總厚度約9.96 μm。

(2)CrAlN/CrN 涂層的硬度高達(dá)(29.3±1.2) GPa，H3/E2為(0.189±0.019) GPa，相比于Inconel 718 合金基體顯著提高。涂層與合金基體間的結(jié)合力約為70.4 N，表現(xiàn)出良好的結(jié)合強(qiáng)度。

(3)CrAlN/CrN 涂層在不同溫度下摩擦?xí)r均有氧化現(xiàn)象發(fā)生，且氧化現(xiàn)象隨著溫度的升高而加劇。此外，涂層在室溫和350 ℃下表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性，磨損機(jī)制分別以磨粒磨損和疲勞磨損為主；在650 ℃下磨損率升高，主要表現(xiàn)為磨粒磨損。