DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响
【图文】：
40mA，连续扫描，衍射角范围为20°~80°。1.2.2力学性能测试采用WS-2005涂层附着力自动划痕仪测量DLC、TiN涂层与基体的结合力，加载速率100N/min，载荷100N，划痕长度10mm，选择声发射模式。采用Agilent公司生产的NanoIndenterG200型纳米压痕仪评定DLC、TiN涂层的纳米硬度与弹性模量，其压头为Berkovich型金刚石压头。为减少基体对涂层性能的影响，选择深度测试模式，压入深度60nm，随机选取5个点测量，取其平均值。1.2.3抗砂尘冲蚀性能考核在固体颗粒冲蚀台上考核DLC、TiN涂层以及裸露TC4试样的抗砂尘冲蚀性能。图1是该试验设备的示意图，主要由供气系统、供砂系统和试验舱等组成。其中，供气系统主要通过提供不同压力的空气来控制粒子的速度，供砂系统采用螺杆装置，可通过调节转速精确控制砂尘供给率。待冲蚀试样以一定角度安装在试验舱内的夹具上，砂尘粒子经供气系统提供的压缩空气加速后由喷嘴喷出，冲蚀试样表面。试验条件为：空气压力0.2MPa，，砂尘粒子(取自塔克拉玛干沙漠，主要成分为SiO2，粒径为100~250μm的粒子超过85%)经粒子图像测速方法(Particleimagevelocimetry,PIV)测得平均速度为80m/s、供给率为10g/min，喷嘴内径8mm，喷嘴距试样15mm，砂尘冲蚀角度分别为30°和90°。冲蚀时间为20min，前5min每隔1min将试件取出，后15min每隔5min将试件取出，采用电子分析天平(精度0.1mg)称量试样剩余质量，记录单次质量损失。每组冲蚀试验重复3次取平均值。2结果与讨论2.1表面形貌与组织结构TC4钛合金基体及DLC、TiN涂层的表面形貌如图2所示。可以看到：DLC涂层表面总体上比较致密，但存在一些长短深浅不一的划痕，这是由于涂层较薄，受到了TC4基体表面状态的影响；TiN表面存在许多熔滴颗粒以及空穴。
2.2力学性能划痕法是采用划针在涂层表面逐渐加压划过时，涂层发生开裂时的最小压力来表征涂层与基体的结合强度，该过程可通过声发射信号来监测，当声发射信号突变时，认为涂层发生开裂。图5为DLC、TiN涂层的声信号监测结果。由图可知：DLC涂层与基体的结合力约为80.4N，TiN涂层与基体的结合力约为34.7N，DLC涂层结合力约为TiN涂层的2.3倍，分析可知，采用MEVVA离子注入技术，大幅增加了涂层与基体的结合力。这是因为高能Ti离子被注入到基体材料时，能够形成“钉扎层”，在此基础上再沉积Ti层，可使Ti层与基体结合力大大增加。材料的抗冲蚀性能不仅与其硬度H有关，还受到弹性模量E的影响。通常采用H3/E2的值表示材料抵抗塑性变形的能力，一般认为，随H3/E2的值增大，材料的抗冲蚀性能提高[21]。表3给出了TC4钛合金、DLC及TiN涂层的硬度、弹性模量和图2TC4钛合金及DLC、TiN涂层的表面形貌Fig.2SurfacemorphologiesofTC4titaniumalloy,DLCandTiNcoating图3DLC涂层的拉曼光谱Fig.3RamanspectraoftheDLCcoating图4TiN涂层的XRD图谱Fig.4XRDpatternsoftheTiNcoating图5声发射信号强度与载荷的关系Fig.5Relationshipbetweenacousticemissionintensityandnormalload第4期曹鑫，等：DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响63
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