-TiAl合金的氮等离子体沉积表面改性

Somchai Thongtem，Michael McNallan和Titipun Thongtem

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发布时间：2005年9月

主题

摘要

关键字

介绍

实验

合金

等离子体系统

氮化

表征

结果和讨论

结论

确认

参考文献

详细联系方式

摘要

二γ- tial合金，Ti-47 at%Al-2 at%Nb-2 at%Cr(MJ12)， Ti-47 at%Al-2 at%Nb-2 at%Mn+0.8 at%TiB₂(MJ47)在3 ~ 6 kV的偏置电压下，在氮离子等离子体中进行了修饰。合金的努普硬度和耐磨性随偏置电压的增加而增加。在-6 kV偏压下，MJ12和MJ47的硬度值高达891.3±51.6和899.8±47.1 kg.mm^－２,分别。与未经处理的合金相比，经氮化处理后的耐磨性提高了一个或两个数量级。此外，利用x射线衍射、扫描电镜和能量色散x射线分析对合金的表面进行了表征。

关键字

γ-TiAl，等离子体沉积，努普硬度，耐磨性

介绍

的γ-TiAl合金近年来引起了人们的广泛关注。它们被考虑用于航空航天应用，如飞机、空间卫星、导弹、涡轮叶片、发动机气门和涡轮增压器转子O高温强度高、密度低、熔点高、耐高温蠕变[1-7]。该合金的两个主要缺点是在室温下塑性有限，在高温下表面性能差[2-5]。通过加入Nb、Cr、Mn、Mo、W、Ta和V[5]等合金元素，可以提高合金的极限塑性。通过表面改性可以改善表面性能[3,5]。TiN涂层已被广泛应用于提高硬度和耐磨性的许多应用。涂膜有许多方法。它们是物理气相沉积(PVD)[8,9]，化学气相沉积(CVD)[10,11]，等离子体沉积[2,12 -14]，阴极弧(CA)[15-18]，离子注入[19]和直接金属-气体反应[3,4,20]。等离子体沉积是一种清洁技术，是本研究的选择。

实验

合金

用于氮化的合金为MJ12和MJ47，其成分列于表1。它们由Howmet Corp. (Whitehall, MI, U.S.A.)提供，为直径15.5 mm的棒，并切割成1-2 mm厚的圆盘。用0.3微米氧化铝粉抛光，用酒精脱脂。

表1。合金的标称成分(at%)

等离子体系统

用于氮化的电感耦合等离子体系统由射频功率发生器(Dressler型号HPG 1365)在13.56 MHz放电，以避免公共通信[21]的干扰。发电机通过匹配的网络连接到天线，工作功率为150和250 W。多功能特等离子体室由不锈钢制成，直径为31.2厘米，长度为42.5厘米，厚度为6.0毫米。箱体外表面嵌有永磁体按钮[22]。

Nitridat离子

将标本置于多腔室中。抽气至0.05 mtorr压力，氩气入腔至0.5 mtorr压力。发电机以13.56 MHz, 150 W放电。提供-1 kV偏置电压7 min，清洗试样表面并关断。然后将氩气抽到0.05 mtorr，氮气注入腔内至0.5 mtorr。发电机工作在250 W，在-3、-4、-5和-6 kV的偏置电压下进行1 h的氮化。最后，关掉发电机的电源、偏置电压和氮气。将空气注入腔室，直至压力为1atm时，将试样带进腔室进行进一步分析。

Characterization

在1 gf载荷和5 s停留时间下，对非氮化和氮化合金的努普硬度进行了10次测量，并计算了平均值和标准差。此外，合金的磨损率是使用销钉-盘磨损试验机确定的。测试参数如下:

用光学显微镜测量了磨损轨迹的宽度，用标准几何公式计算了合金的体积损失。

磁盘卷损失＝

在维＝磨痕的宽度。然后确定单位距离的体积损失或磨损率。

使用扫描电子显微镜和在15kV下操作的能量分散X射线分析仪进行分析氮化合金。使用X射线衍射仪分析氮化合金。操作参数为45.0 kV，35.0 mA和Cu-kα作为目标。

结果和讨论

在氮化过程中，氮分子分解成原子。有些原子进一步分解成离子和电子。有些变成了原子。离子的电荷是由发电机的功率控制的。由于供应到样本的负电压，腔室中的正离子加速到等离子体样本界面。界面处正离子的能量(E)为

E＝QV.

在哪里：

问＝离子的电荷和

V＝负电压。

高能量的正离子渗透到合金基体中，并受到基体原子的排斥作用。在界面下方的一些深度处嵌入矩阵内部的离子。但对于电子，它们被加速到室的地壁。样本的表面含有更多的缺陷，并且原子的病症增加。从热力学的观点来看，系统的熵增加了。一些离子也能与主原子形成新的相。原子的排列顺序和所形成的新相对硬度和耐磨性有一定的影响。

氮化后的MJ12和MJ47的元素光谱如图1所示。两种合金上均有Ti、Al和Nb。在MJ12和MJ47上分别检测到附加的Cr和Mn。在MJ47上没有检测到B，因为它的原子质量很轻。结果与表1所示的合金成分一致。在氮化期间，分解成原子和离子的氮分子。离子渗透并嵌入合金表面。在两种合金上检测到另外的氮。在磨损痕迹上没有检测到氮，这表明沉积的膜非常薄。没有从WC球穿出的钨在磨损轨道上被检测到，显示来自球的磨损钨的浓度非常低。在氮化过程中，部分氮嵌入合金基体中，部分氮与合金元素形成新相。

根据图2所示的x射线衍射谱图，未检测到氮化物。氮的浓度可能太低而不能被检测到，或者氮只渗透和嵌入合金基体中。埋入氮的浓度可能太低而不能形成氮化相。检测到TiAl和Al相[23]，表明分析对金属基体的深度进行了分析。

图3中MJ12和MJ47的努普硬度随偏置电压的增加而增大。结果表明，氮和/或氮化相对未处理合金的硬度有一定的影响。未处理的MJ12和MJ47的努普硬度值为464.2±38.6和499.9±63.3 kg.mm^－２,分别。在- 6kv时，MJ12和MJ47的计算硬度最高为891.3±51.6和899.8±47.1 kg.mm^－２,分别。结果表明，等离子体沉积的薄膜厚度最高，合金的硬度得到了明显的提高。在硬度测量期间，在沉积膜的脆性表面上产生一些裂缝，导致凹口的对角线的误差和硬度值的误差计算。

单位距离或磨损率的体积损失值如表2所示。经氮化处理的MJ12和MJ47合金的磨损率比未处理的MJ12和MJ47合金的磨损率大大降低了一个或两个数量级。磨损率的降低是氮的嵌入和/或氮的形成的结果。这导致合金表面的原子无序或缺陷。磨损率还受膜和基体的内应力控制，内应力会影响粘附性能[15-17]。由于WC球在试验过程中的振动，磨损率随偏置电压的增加而降低是不规则的。这导致了磨损轨迹宽度和计算磨损率的不均匀性。磨损率的不规律性也可以通过新相的形成来控制。

表2。MJ12和MJ47的磨损率。

在磨损试验中，摩擦系数(μ)， MJ12的结果如图4所示。摩擦系数随针球的滑动距离而变化。在3kv氮化时，摩擦系数在前1.0 m内迅速从0增加到1.00。然后在此值附近出现波动，直到完成15.5 m。在-4、-5和-6 kV处，摩擦系数在非常短的距离内迅速增加到0.18，然后缓慢增加，直到达到平均值0.52。由于销球的振动、摩擦力的变化等原因，摩擦系数的变化是不规则的。结果与上述磨损率一致。

摩擦力(f)与WC球的加速度或位置的二阶导数(ü)的关系为:

fαu

摩擦力由于其大小和方向的变化而不是恒定的。因此，加速度随力的大小而变化。这导致摩擦系数的波动。

氮化后的MJ12和MJ47的外部形貌如图5所示。合金的表面相当粗糙，表明合金通过沉积方法处理。表面的特征是一般的氮化作用，能对WC球的振动起到作用，导致合金的磨损率和摩擦系数的波动。

结论

元素分析显示了嵌入合金表面中的氮的检测。但对于X射线衍射分析，没有检测到氮化物相。等离子体沉积可以有效地提高合金的硬度和耐磨性。在- 6kv偏压下，Ti-47Al-2Nb-2Cr和Ti-47Al-2Nb-2Mn-0.8TiB的努普硬度值₂合金含量最高，为891.3±51.6和899.8±47.1 kg.mm^－２,分别。与未处理的合金相比，在氮化后，耐磨性大大提高了一个或两个数量级。扫描电镜显示，合金表面粗糙，对磨损率和摩擦系数的波动起作用。

确认

这项研究得到泰国曼谷泰国研究基金(TRF)的支持。我们感谢Howmet Corp.， Whitehall, MI, U.S.A.提供的合金，并感谢prof . T. Vilaithong, FNRF, Department of Physics, Faculty of Science, Chiang Mai University, Chiang Mai, Th欧洲杯线上买球ailand, for permission to use the plasma deposition equipment, micro硬度和磨损测试仪。2020欧洲杯下注官网

参考文献

1。R. L. Stedfeld：主任“ASM手册，性能和选择，有色合金和专用材料，第5个印刷品。，U.S.a。：ASM国际手册委员会，欧洲杯足球竞彩2(1998) 587。

2。“TiAl金属间化合物的等离子体渗碳处理”，材料科学与工程，vol . 32, no . 3, no . 4, no . 4科学。和女士。A213(1996) 157。

3.赵斌，孙军，吴建生，袁志贤，“TiAl基合金在氨气氛下的气体氮化行为”，材料工程，Scripta板牙。46(2002) 581。

4.余立国，“高温气体氮化的影响”TiAl论耐磨性”，J. of Mater。过程和汇率政策。科学。,6(1998) 185。

5.Tian W. h, M. Nemoto， " Carbon addition on the microstructure and Mechanical Properties .γ多弧离子镀合金”,Intermetal。,5(1997) 237。

6.R. Kainuma, Y. Fujita, H. Mitsui, I. Ohnuma and K. Ishida， " Phase equilibrium Amongα（HCP），β(bcc)和γ(L1₀Ti-Al基三元合金中的相”，金属间化合物，8(2000) 855。

7.王志强，“氮对Ti-48Al合金组织和力学性能的影响”，金属间化合物学报。9(2001) 147。

8.“超硬纳米复合材料Ti_1-X.艾尔_x磁控溅射制备N薄膜的研究365.(2000) 104。

9.S. Labdi，pH。Houdy，P. psyllaki和M.Jeandin，“用于硬涂装应用的Ti和TiN薄膜和Ti / TiN多层的阐述和表征”，薄固体薄膜，275(1996) 213。

10。S. Anderbouhr, V. Ghetta, E. Blanquet, C. Chabrol, F. Schuster, C. Bernard and R. Madar，“LPCVD和PACVD (Ti,Al)N薄膜的形貌和力学性能”，Surf。和外套。科技。115.(1999) 103。

11.陈志刚，“有机金属化学气相沉积(Ti,Al)N薄膜的热力学预测和实验结果”，清华大学学报(自然科学版)。和外套。科技。94 - 95(1997) 285。

12.王志强，“氮化钛和氮化铝的纳米结构和硬度的等离子体增强化学气相沉积”，固体薄膜，391(2001) 101。

13。K. Kawata, H. Sugimura, O. Takai，“脉冲直流等离子体增强化学气相沉积(Ti,Al)N薄膜的表征”，薄膜材料，386(2001) 271。

14.K. Kawata, H. Sugimura, O. Takai，“脉冲直流等离子体增强化学气相沉积法制备Ti-Al-O-C-N多层膜的表征”，固体薄膜，390(2001) 64。

15.Y.Y.郭，J.F.林和C.F.AI，“氮化钛，碳氮化钛和碳化钛涂层的摩擦学特性”，薄固体薄膜，302(1997) 193。

16.魏超，林建峰，蒋同华，艾春飞，“氮化钛的摩擦学特性“碳氮化钛多层膜”，第一部分，涂层顺序对材料和力学性能的影响，“薄膜，381(2001) 94。

17.魏超，林建峰，蒋同华，艾春芳，“氮化钛的摩擦学特性钛碳氮化物多层薄膜“，第二部分，涂层序列对摩擦学性质的影响，”薄固体薄膜，381(2001) 104。

18.A.Kimura，T.Murakami，K. Yamada和T. Suzuki，“综合Ti的热压Ti-Al靶标_1-X.艾尔_xN薄膜的电弧离子镀法”，固体薄膜，382(2001) 101。

19.(21日(บ20.夏林，季海，孙敏，孙勇，马新宇，“氮-乙炔注入Ti-6Al-4V等离子体基离子的结构和摩擦特性”，摩擦学学报，225 - 229(1999) 835。

20.7 .王志强，“基于扩散碳氮化方法的钛表面改性研究”，材料科学与工程学报，vol . 32, no . 3, pp . 3 - 5。50(2002) 2693。

21。A. Anders, Handbook Plasma Immersion Ion injection and Deposition, John Wiley and Sons, NY，(2000)。

22。D. Boonyawan, P. suanpot和T. Vilaithong，“用于气态离子束产生的13.56 MHz多usp离子源”，Surf。和外套。科技。112.(1999) 314。

23。粉末衍射文件，无机相，搜索手册(HANAWALT)，粉末衍射标准联合委员会，JCPDS国际中心衍射数据，1601 Park Lane, Swarthmore, PA 19081，美国，(1985)。

详细联系方式

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论文发表在《材料与材料加工技术进展》，6[2](2004)170-175。欧洲杯足球竞彩