Cr-Ti-N系多层膜成分及周期对抗冲蚀性能的影响

发布时间：2020-11-10 11:18

　　 苛刻环境下发动机组件存在严重的固体颗粒(SPE)冲蚀,导致其可靠性降低。为研究多层膜成分及调制周期对膜层冲蚀性能的影响,利用金属蒸发真空弧离子源(MEVVA)和磁过滤阴极真空弧复合离子束沉积技术在AM355基材表面制备交替周期分别为5、13和26的3组CrNx/TimCr1-mN、TiNy/TimCr1-mN多层膜。采用微粒喷浆冲蚀试验机、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)等对膜层冲蚀性能、形貌及物相结构进行测试表征。结果表明:采用该技术制备的CrNx/TimCr1-mN、TiNy/TimCr1-mN多层膜结构致密、交替层变化明显。随着交替周期的增加,两体系多层膜的晶面间距减小,抗冲蚀性能得到提高,分别提高了8倍和20倍以上。
【部分图文】：

Ｎｘ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮａｎｄＴｉＮｙ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ射角。可知：随交替周期的增加，衍射角θ不断增大（见图４），因此多层膜的晶面间距不断减校另在７５°～７７°范围处存在宽化的衍射峰，表明膜层中含有一定的弱晶或者非晶ＴｉＮ（２２２）。文献［１５］研究发现非晶带出现在界面处，如薄膜与过渡层、过渡层与基体，因此分析认为该弱晶或者非晶层可能存在于交替层的界面处。２．３多层膜的冲蚀性能多层膜的冲蚀性能测试结果如图５和表２所示。基体冲蚀磨损率较为一致，从表２统计的各图５冲蚀深度随冲蚀粒子质量的变化曲线Ｆｉｇ．５Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｄｅｐｔｈｄｅｐｅｎｄｏｎｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｍａｓｓ表２ＣｒＮｘ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮ和ＴｉＮｙ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮ多层膜的冲蚀磨损率Ｔａｂｌｅ２ＥｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｒａｔｅｓｏｆｔｈｅＣｒＮｘ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮａｎｄＴｉＮｙ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓＷｅａｒｒａｔｅｓ／（μｍ·ｇ－１）ＣｒＮｘ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮ１０２６５２ＴｉＮｙ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮ１０２６５２Ｃｏａｔｉｎｇｓ０．３４７０．２６１０．２３７０．１２３０．１０２０．０９７Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ２．０４６２．０６８２．０４９２．０６３２．０７８２．０２７Ｉｍｐｒｏｖｅｍｕｌｔｉｐｌｅ５．９０７．９２８．６５１６．７７２０．３７２０．９０膜层冲蚀磨损率中亦可看出基

中国表面工程２０１５年ＴｉｍＣｒ１－ｍＮ多层膜的冲蚀斑中心轮廓曲线，图中纵坐标值的绝对值表示冲蚀斑距离薄膜表面的深度，原始位置为薄膜表面，设定为零。由图６可以发现一旦多层膜被冲蚀掉（约消耗１０ｇ冲蚀粒子），继续控制冲蚀粒子流量对基体进行冲蚀，其冲蚀深度的增加速率明显增大，表现出膜层对基体良好的冲蚀保护作用。图７（ａ）为冲蚀斑边缘膜层的减薄行为，膜层厚度随冲蚀作用加强（沿冲蚀斑方向）在不断减薄，但在冲蚀挤压－薄片剥落的磨损过程中，膜层内部未出现明显的开裂裂纹，或其裂纹很小，而只达到单个交替薄层厚度的尺度。图７（ｂ）显示部分区域的膜层在冲蚀减薄过程中，存在未完全磨耗而提前失效的情况，导致该膜层下基体因失去保护作用而被迅速冲蚀磨耗。图６不同质量冲蚀粒子作用下ＣｒＮｘ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮ多层膜的冲蚀斑中心轮廓曲线Ｆｉｇ．６Ｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅｓａｌｏｎｇｔｈｅｃｅｎｔｅｒ－ｌｉｎｅｏｆｔｈｅｓｑｕａｒｅｊｅｔｓｃａｒｏｆｔｈｅＣｒＮｘ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ图７冲蚀斑边缘多层膜的截面形貌Ｆｉｇ．７Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓａｒｏｕｎｄｅｒｏｓｉｏｎｓｃａｒｓ为与多层膜在不断冲击的动态变化过程对比，同时对多层膜进行一次压应力作用下的划痕测试。图８为划痕下膜层的截面形貌，可见膜层仍能粘附于基体上，并同基体一起变形。进一步沿压应力增大的方向观察多层膜破裂的截面形貌，见图９。可见随着压应力的增大，多层膜破裂的裂纹在不断向基体内部延伸扩

显的开裂裂纹，或其裂纹很小，而只达到单个交替薄层厚度的尺度。图７（ｂ）显示部分区域的膜层在冲蚀减薄过程中，存在未完全磨耗而提前失效的情况，导致该膜层下基体因失去保护作用而被迅速冲蚀磨耗。图６不同质量冲蚀粒子作用下ＣｒＮｘ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮ多层膜的冲蚀斑中心轮廓曲线Ｆｉｇ．６Ｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅｓａｌｏｎｇｔｈｅｃｅｎｔｅｒ－ｌｉｎｅｏｆｔｈｅｓｑｕａｒｅｊｅｔｓｃａｒｏｆｔｈｅＣｒＮｘ／ＴｉｍＣｒ１－ｍＮｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ图７冲蚀斑边缘多层膜的截面形貌Ｆｉｇ．７Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓａｒｏｕｎｄｅｒｏｓｉｏｎｓｃａｒｓ为与多层膜在不断冲击的动态变化过程对比，同时对多层膜进行一次压应力作用下的划痕测试。图８为划痕下膜层的截面形貌，可见膜层仍能粘附于基体上，并同基体一起变形。进一步沿压应力增大的方向观察多层膜破裂的截面形貌，见图９。可见随着压应力的增大，多层膜破裂的裂纹在不断向基体内部延伸扩展。多层膜的破裂主要呈现层间破裂失效，裂纹穿过一定厚度的交替层之后，开始横向发展，纵向发展裂纹受到抑制。在作用载荷进一步增加并达到一定程度后，纵向裂纹在新的位置萌生并扩展，在其达到交替膜的某一厚度时，发展为横向裂纹。多层膜延长裂纹的扩展路径，使裂纹有更长的时间行走在多层膜之间，延长失效过程，当外界压应力达到一定程度后，膜层的裂纹才呈现出一定角度的扩展，而非发生纵向式穿越。图８划痕下膜层的截面形貌Ｆｉｇ．８Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｕｎ－ｄ
【参考文献】

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【共引文献】

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本文编号：2877869