非平衡磁控濺射CrTiAlN涂層的制備及空蝕性能研究

劉銘悅，黃志全，張習(xí)羽，Ann Zammit，Joseph Buhagiar，Glenn Cassar，王建明，陳堅(jiān)*

非平衡磁控濺射CrTiAlN涂層的制備及空蝕性能研究

劉銘悅1，黃志全1，張習(xí)羽1，Ann Zammit2，Joseph Buhagiar2，Glenn Cassar2，王建明1，陳堅(jiān)1*

（1.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189；2.Department of Metallurgy and Materials Engineering, University of Malta, Msida 2080, Malta）

為緩解動力系統(tǒng)金屬表面發(fā)生的空泡失效問題，提高水下裝備推進(jìn)系統(tǒng)在復(fù)雜多變環(huán)境中的綜合服役性能，將涂層技術(shù)用于金屬材料的表面防護(hù)。基于正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用非平衡磁控濺射技術(shù)在AISI 316不銹鋼基體上制備CrTiAlN涂層。采用XRD、SEM、EDS和AFM等測試手段對涂層的物相、形貌、成分和表面粗糙度進(jìn)行表征；采用維氏硬度計(jì)、劃痕儀和洛氏硬度計(jì)對涂層的顯微硬度和膜基結(jié)合力進(jìn)行測試與評估；通過球–盤磨損實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)測試和空蝕實(shí)驗(yàn)，分別評價(jià)涂層的耐干摩擦磨損、耐腐蝕和抗空蝕性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)控Cr、Ti和Al靶電流，基于涂層硬度得到最佳靶電流分別為4、8、8 A，此時(shí)涂層顯微硬度達(dá)到1 242HV0.01，納米硬度為(17.00±0.99) GPa，遠(yuǎn)高于316不銹鋼；涂層的摩擦因數(shù)和磨損率遠(yuǎn)低于316不銹鋼；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中，涂層的腐蝕電位較高，腐蝕電流較小，具有較好的耐腐蝕性能，采用涂層保護(hù)后316不銹鋼的壽命得到顯著提高；在空蝕實(shí)驗(yàn)后，316不銹鋼的粗糙度從4.5 nm增至112.0 nm，并出現(xiàn)空蝕坑，而CrTiAlN涂層只出現(xiàn)了褶皺，其粗糙度從4.8 nm增至10.0 nm，僅在涂層缺陷處發(fā)生了零星剝落現(xiàn)象?？梢?，CrTiAlN涂層有效緩解了空蝕的沖擊作用，提高了316不銹鋼的抗空蝕性能。可將CrTiAlN涂層作為防護(hù)涂層，并應(yīng)用于水利工程裝備關(guān)鍵部件。

磁控濺射；CrTiAlN涂層；摩擦磨損；腐蝕；空蝕

空蝕是普遍發(fā)生在水下運(yùn)動材料表面的一種破壞現(xiàn)象，如水下動力系統(tǒng)螺旋槳葉片表面?？瘴g是由高速流動液體中夾雜的微小氣泡產(chǎn)生的沖擊所致[1]。由于氣泡的壓力可達(dá)到200～1 000 MPa[2]，因此會縮短材料的使用壽命。目前，制備無人水下航行器（Un-manned Underwater Vehicle）的材料多采用316不銹鋼、TC4鈦合金和鋁合金等，以Tecnadyne公司生產(chǎn)的商用UUV為例，其螺旋槳的直徑約為100～500 mm，產(chǎn)生的推力最高可達(dá)到11 N，急速水流產(chǎn)生的空泡會對螺旋槳表面產(chǎn)生巨大的沖擊力。隨著艦船、無人水下航行器等水下裝備不斷向遠(yuǎn)程和智能化方向的發(fā)展，它面臨的水文環(huán)境也越來越復(fù)雜，這對材料的抗空蝕性能提出了更高的要求[3]。

為了減小空蝕的危害，當(dāng)前主要采用優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)、研發(fā)新材料和應(yīng)用表面工程技術(shù)等方案[4]，其中采用表面工程技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、性能提升效果顯著等特點(diǎn)，已成為最廣泛的選擇[5-9]。Man等[6]利用激光合金化在鋁合金表面制備了陶瓷相增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，使其抗空蝕性能提高了3～4倍。Huang等[7]在S48C鋼表面滲氮，增加了表面硬度，降低了材料在淡水中的空化率和質(zhì)量損失。Liu等[8]利用熱噴涂技術(shù)制備的WC-10Co4Cr涂層也表現(xiàn)出良好的抗沖蝕性能。近年來，研究者利用氣相沉積技術(shù)提高了材料的抗空蝕性能，延長了零件的服役壽命[10-12]。其中，磁控濺射法作為常用的物理氣相沉積技術(shù)之一，所制備涂層均勻致密、缺陷少、結(jié)合強(qiáng)度高[13]，而且具有易于控制和無環(huán)境污染等優(yōu)勢，得到了越來越多的關(guān)注。

CrTiAlN涂層是一種典型的以CrN為基礎(chǔ)的四元體系涂層，具有較高的硬度（30～38 GPa），表現(xiàn)出良好的抗磨損性和耐腐蝕性能[14-16]。其中，Cr元素起著提高涂層硬度和抗氧化性等作用[17]，少量的Ti元素可改善涂層的力學(xué)性能和耐磨性[18]，同時(shí)添加Al元素可降低涂層的摩擦因數(shù)[19]。Wang等[20]采用非平衡磁控濺射法在Si片基體上制備了CrTiAlN涂層，其力學(xué)性能和抗裂性明顯優(yōu)于CrN、CrTiN、CrAlN涂層。Fernandes等[17]研究了WC片基體上的TiAlCrN涂層在實(shí)際鉆井試驗(yàn)中的高溫摩擦學(xué)性能和切削性能，在室溫和650 ℃高溫下TiAlCrN涂層均具有較低的磨損率，且有效延長了鉆頭的切削性能。Fuentes等[21]利用陰極電弧沉積法在H13鋼上制備了CrTiAlN涂層，通過研究涂層的金屬元素原子比和硬度，探討了涂層的強(qiáng)化機(jī)理。目前針對CrTiAlN涂層的研究主要集中于切削、高溫等應(yīng)用領(lǐng)域，對它在水下環(huán)境中的抗空蝕性能研究較匱乏。

本文首次報(bào)道了CrTiAlN涂層的抗空蝕性能，采用非平衡磁控濺射法在316不銹鋼和Si片基體上制備CrTiAlN涂層，利用Cr、Ti和Al 3種元素的電流進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)涂層的硬度對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，評價(jià)了優(yōu)化后涂層試樣的摩擦磨損性能、耐腐蝕性能和抗空蝕性能，并對其空蝕失效機(jī)制進(jìn)行探討。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層制備

實(shí)驗(yàn)采用英國Teer公司生產(chǎn)的UDP800閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍膜設(shè)備在316不銹鋼（20 mm× 30 mm×2 mm）和Si片上制備CrTiAlN涂層，使用2個(gè)Cr靶（純度為99.99%）、1個(gè)Ti靶（純度為99.99%）和1個(gè)Al靶（純度為99.99%）。在實(shí)驗(yàn)前，將基體放入無水乙醇中超聲清洗15 min，然后烘干后放入腔體內(nèi)，抽至真空度為4×10–6MPa后開始鍍膜。在沉積過程中，靶基距為11.5 cm，氬氣流量（sccm）為40 cm3/min，氮?dú)饬髁坑蒓EM（Optical emission monitor）控制，試樣架的轉(zhuǎn)速為4 r/min。沉積工藝：首先在?400 V高偏壓下對樣品表面進(jìn)行離子清洗，然后保持偏壓為?70 V，沉積5 min的Cr打底層，然后通過OEM逐步增加N2流量，制備CrN過渡層，最后OEM參數(shù)值為65%，穩(wěn)定沉積90 min的CrTiAlN層。

1.2 材料表征

采用德國Bruker公司的X射線衍射儀（D8 Discover型）分析CrTiAlN涂層的物相結(jié)構(gòu)，采用Cu Kα（λ= 1.541 8），測試電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描角度2為10o～90o，掃描速度為0.15 (o)/min。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sirion）和其附帶的能譜儀分析樣品的形貌和成分。采用球坑儀測量涂層的膜厚。利用載荷10 g的顯微維氏硬度計(jì)測定涂層的硬度。采用裝有Berkovich壓頭的納米壓痕儀（Micro Materials）測試樣品的硬度，控制壓入的最大深度為200 nm，每個(gè)樣品重復(fù)測量6個(gè)點(diǎn)。采用洛氏硬度計(jì)并結(jié)合光學(xué)顯微鏡評價(jià)涂層的結(jié)合力。

采用電化學(xué)工作站（chi660e）測定涂層的電化學(xué)性能。涂層摩擦磨損試驗(yàn)采用球–盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副為WC球，直徑為6.35 mm，測試時(shí)間為1 800 s，溫度為25 ℃（室溫），采用10 N的恒定負(fù)載和38 r/min的轉(zhuǎn)速，并連續(xù)記錄測試過程中的摩擦因數(shù)。采用輪廓儀（DEKTAK 150）和掃描電鏡分析獲得涂層的磨痕深度和形貌。采用振動空蝕實(shí)驗(yàn)裝置（ASTM G32-10）測定涂層的抗空蝕性能。與其他空蝕實(shí)驗(yàn)裝置相比，振動空蝕實(shí)驗(yàn)裝置具有設(shè)計(jì)簡單、便于快速操作等特點(diǎn)，它是測試與評價(jià)材料抗空蝕性能的首選方法[22]。將(20±0.5)kHz的超聲傳感器安裝在變幅桿上，高頻振動的液體會產(chǎn)生空泡，作用在距變幅桿下端2 mm的試樣表面，振幅為(50±2.5)μm，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[8,11,23]。空蝕試驗(yàn)在20 ℃（室溫）下進(jìn)行，采用去離子水溶液，每隔10 min對試樣進(jìn)行稱量和光鏡觀察，并采用AFM原子力顯微鏡（Dimension ICON）測試空蝕前后的表面粗糙度。

圖1 空蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 正交參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

首先通過調(diào)研確定了3種靶材的常用電流范圍，Cr靶電流取值為4、5、6 A，Ti靶和Al靶電流取值為6、7、8 A，然后采用正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化[15,20,24]。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)涂層的顯微硬度結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)[25-26]。

9組CrTiAlN涂層的膜厚、沉積速率和顯微硬度結(jié)果如表1所示?？傮w而言，涂層的厚度隨著靶電流的增加呈現(xiàn)上升趨勢。在反應(yīng)濺射時(shí)，由于N原子會對靶表面造成污染，常稱為“靶中毒”，導(dǎo)致沉積速率下降。在每次實(shí)驗(yàn)前，均會對靶表面進(jìn)行打磨處理，防止表面的雜質(zhì)影響涂層的沉積。由于實(shí)驗(yàn)過程中無法避免地會出現(xiàn)一定程度的“中毒”現(xiàn)象，且Cr、Ti、Al靶表面的“靶中毒”行為不一致，因此靶電流與厚度之間形成了復(fù)雜的關(guān)系。當(dāng)Cr、Ti和Al靶電流分別為4、8、8 A時(shí)，涂層的厚度達(dá)到最大值（4.33 μm），對應(yīng)的沉積速率為48 nm/min，并且此時(shí)涂層的顯微硬度也達(dá)到了最大值（1 242HV0.01）。這是由于壓入形變區(qū)域尺寸超過了涂層的厚度，硬度結(jié)果能夠反映膜基體系的綜合力學(xué)性能，因此膜厚對硬度起到了重要作用。為了避免基體和厚度對涂層的硬度產(chǎn)生影響，依次對316不銹鋼及Cr、Ti、Al靶電流分別為4、8、8 A的涂層進(jìn)行了納米壓痕測試，316不銹鋼的硬度為(5.08±0.22)GPa，CrTiAlN涂層的硬度為(17.00±0.99)GPa，可見CrTiAlN涂層的硬度遠(yuǎn)大于316不銹鋼的硬度。與文獻(xiàn)[14-16]相比，此次實(shí)驗(yàn)制備的CrTiAlN涂層的硬度較低的原因可能是涂層以非晶態(tài)存在。

表1 正交實(shí)驗(yàn)9組試樣的CrTiAlN膜厚、沉積速率和顯微硬度

Tab.1 Thickness, deposition rate and microhardness of CrTiAlN coatings for 9 groups of samples in orthogonal test

依據(jù)涂層的硬度進(jìn)行正交設(shè)計(jì)極差分析，計(jì)算同一水平各因素下涂層硬度的平均值，結(jié)果如圖2所示。因?yàn)橥繉佑捕鹊奶岣呖梢杂行Ц纳撇牧系目箍瘴g性能[27-29]，所以根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了硬度最高的涂層實(shí)驗(yàn)參數(shù)：Cr靶4 A、Ti靶8 A、Al靶8 A，并對采用此實(shí)驗(yàn)參數(shù)制備的涂層進(jìn)行性能的綜合評價(jià)。

2.2 形貌、成分與物相分析

CrTiAlN涂層的表面形貌如圖3a所示，涂層表面存在密集的圓狀顆粒，且顆粒大小均勻。涂層由Cr（原子數(shù)分?jǐn)?shù)為30.72%）、Ti（原子數(shù)分?jǐn)?shù)為7.35%）、Al（原子數(shù)分?jǐn)?shù)為16.28%）、N（原子數(shù)分?jǐn)?shù)為45.65%）組成。涂層的截面形貌如圖3b所示，可以觀察到， CrTiAlN涂層分為Cr打底層、CrN過渡層和CrTiAlN頂層，且涂層整體未出現(xiàn)明顯的空隙和缺陷[30]。CrTiAlN涂層的洛氏硬度壓痕形貌如圖3c所示，壓痕周圍出現(xiàn)了明顯的徑向裂紋和零星剝落現(xiàn)象，根據(jù)DIN 4856:2018-02可知涂層的結(jié)合強(qiáng)度等級為HF3。涂層的X射線衍射圖譜如圖3d所示，分別為原始涂層樣品和500 ℃熱處理后涂層樣品的XRD物相結(jié)果。原始涂層樣品只出現(xiàn)了較為明顯的Si片基底的衍射峰，涂層經(jīng)過熱處理后出現(xiàn)了CrN、AlN和TiN的衍射峰，其中CrN的衍射晶面分別為(111)、(200)和(220)，AlN的衍射晶面分別為(111)、(200)、(220)和(100)，TiN的衍射晶面分別為(200)和(220)。說明因制備溫度較低，原始涂層狀態(tài)為非晶態(tài)。未經(jīng)熱處理的涂層表現(xiàn)出較為致密的結(jié)構(gòu)，無空隙和缺陷，且膜基結(jié)合力較高，因此采用未處理的涂層試樣進(jìn)行性能評價(jià)。

2.3 耐磨損性能

316不銹鋼和CrTiAlN涂層試樣的摩擦因數(shù)變化曲線如圖4a所示，可以看出，316不銹鋼的摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的延長呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，CrTiAlN涂層試樣的摩擦因數(shù)較穩(wěn)定，二者在穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)分別為0.45和0.34。316不銹鋼和CrTiAlN涂層的磨痕輪廓如圖4b所示，反映了2組試樣的磨損特性。從圖4b中可以看出，CrTiAlN涂層試樣的磨痕深度較小，最大深度為1.13 μm，且磨痕寬度較窄（僅為286 μm）。316不銹鋼磨痕的最大深度為12.14 μm，磨痕寬度為665 μm。316不銹鋼和CrTiAlN涂層的磨損率如圖4c所示，分別為4.70×10?7、0.19×10?7mm3/(N·mm)，CrTiAlN涂層的磨損率遠(yuǎn)低于316不銹鋼的磨損率，具有優(yōu)異的耐磨損性能。

316和CrTiAlN涂層的SEM磨痕形貌及2組試樣EDS成分組成結(jié)果如圖5所示。316不銹鋼的磨痕形貌如圖5a～b所示，磨痕表面出現(xiàn)了明顯的犁溝狀形貌，說明316在磨損過程中主要發(fā)生了磨粒磨損[31]。此外，316試樣的磨痕表面出現(xiàn)了大量的氧元素，其原子數(shù)分?jǐn)?shù)達(dá)到43.13%，說明存在氧化磨損現(xiàn)象[32]。CrTiAlN涂層的磨痕形貌如圖5c～d所示，在磨痕內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了裂紋，為典型的疲勞磨損特征。磨痕外側(cè)有大量磨屑堆積，外側(cè)（Ⅰ）區(qū)域的EDS能譜分析顯示，除了含有Cr、Ti、Al、N 4種元素外，其表面還發(fā)現(xiàn)大量的氧元素（原子數(shù)分?jǐn)?shù)為29.70%），說明涂層在摩擦過程中也存在氧化磨損。同時(shí)，選取了CrTiAlN涂層磨痕的中間（Ⅱ）和內(nèi)側(cè)（Ⅲ）2個(gè)區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，從元素組成來看，Cr、Ti、Al和N 4種元素的原子百分比相似，且均未發(fā)現(xiàn)Fe元素，說明涂層并未被磨穿。可見，CrTiAlN涂層有效改善了金屬材料表面的耐摩擦磨損性能。

圖2 正交設(shè)計(jì)極差分析結(jié)果

圖3 CrTiAlN涂層

圖4 316不銹鋼和CrTiAlN涂層的耐磨損性

2.4 耐腐蝕性能

在室溫條件下，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中，通過極化曲線研究了316不銹鋼基體表面沉積的CrTiAlN涂層的耐腐蝕性能，如圖6所示。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，以飽和甘汞電極為參比電極，以鉑電極為輔助電極，把試樣置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中，測得涂層的腐蝕極化曲線，通過極化曲線外推法計(jì)算試樣的腐蝕電流和腐蝕電位，評價(jià)涂層的耐腐蝕性能。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，316不銹鋼和CrTiAlN涂層的腐蝕電位分別為?0.321、?0.295 V。CrTiAlN涂層具有更高的腐蝕電位，表明鍍有CrTiAlN涂層的316不銹鋼的耐腐蝕性得到顯著提高。CrTiAlN涂層的腐蝕電流為2.651×10?7A/cm2，小于316不銹鋼的腐蝕電流（4.752×10?7A/cm2），說明CrTiAlN涂層的腐蝕速度更低，擁有更好的耐腐蝕性能[33]。

圖5 在磨損實(shí)驗(yàn)后316不銹鋼（a、b）和CrTiAlN涂層（c、d）的磨痕形貌及EDS成分組成

圖6 316不銹鋼和CrTiAlN涂層的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 抗空蝕性能

在空蝕時(shí)間為3 h時(shí)，316不銹鋼和CrTiAlN涂層的失重曲線如圖7a所示，可以看出，隨著空蝕時(shí)間的延長，二者均出現(xiàn)了失重現(xiàn)象。經(jīng)過3 h的空蝕實(shí)驗(yàn)，316不銹鋼的質(zhì)量損失達(dá)到2.8 mg，明顯高于CrTiAlN涂層。為了探究二者在空蝕初期的損傷過程，研究了316不銹鋼和CrTiAlN涂層在空蝕30 min內(nèi)的失重和形貌變化情況，如圖7b所示。經(jīng)過30 min的空蝕實(shí)驗(yàn)，在316不銹鋼和CrTiAlN涂層的空蝕失重曲線中均未表現(xiàn)出明顯的失重現(xiàn)象；從二者的表面宏觀照片來看（圖7c），在空蝕10 min后原始光滑的316不銹鋼表面出現(xiàn)了明顯起伏，且隨著時(shí)間的延長，其表面粗糙化程度不斷增大。由于空蝕由空泡潰滅過程中產(chǎn)生的沖擊引起，這種反復(fù)的沖擊作用會使材料表面發(fā)生塑性變形和疲勞破壞等，在宏觀上表現(xiàn)為材料的表面粗糙度增加，并逐漸形成空蝕坑[22]。相較而言，CrTiAlN涂層的空蝕表面仍較光滑，粗糙度無明顯變化，隨著時(shí)間的延長會出現(xiàn)零星剝落現(xiàn)象?？瘴g的破壞過程分為孕育、上升、穩(wěn)定和衰減等4個(gè)階段。在空蝕孕育期，材料未失重或失重很少，但其表面會發(fā)生塑性變形[34]。由此可見，316不銹鋼和CrTiAlN涂層在30 min的空蝕時(shí)間內(nèi)失重不明顯，二者均處于空蝕孕育期。

為了進(jìn)一步探究316不銹鋼和CrTiAlN涂層形貌和成分的變化情況，對2組試樣進(jìn)行了SEM、AFM形貌分析和EDS能譜分析，如圖8所示。在30 min空蝕實(shí)驗(yàn)后，316不銹鋼表面出現(xiàn)了褶皺狀形貌，粗糙度明顯增大，表面成分無變化。從圖8d可以發(fā)現(xiàn)，CrTiAlN涂層從底層剝落，裸露出316不銹鋼基體?？梢酝茢?，當(dāng)空泡沖擊試樣表面時(shí)，由于涂層的硬度較高，所以在空蝕初期可有效抵擋空泡的沖擊作用。隨著空蝕時(shí)間的延長，涂層表面缺陷處發(fā)生了較小面積剝落現(xiàn)象[35]，剝落直徑約為170 μm?？瘴g產(chǎn)生的氣泡直徑最大可達(dá)到1.7 mm[2]，說明CrTiAlN涂層可有效提高金屬表面的抗空蝕能力。從圖8d可以看出，涂層剝落周圍具有明顯的分層現(xiàn)象，試樣逐層剝落，說明多層涂層不僅可以提高膜基結(jié)合強(qiáng)度，還可有效抵抗空蝕破壞。此外，如圖8b、c、e、f所示，316不銹鋼與CrTiAlN涂層在空蝕前的粗糙度分別為4.5、4.8 nm。在30 min空蝕實(shí)驗(yàn)后，兩者的粗糙度變?yōu)?12.0、10.6 nm，CrTiAlN涂層的粗糙度變化幅度遠(yuǎn)小于316不銹鋼。綜上可知，CrTiAlN涂層的抗空蝕性能相較于316不銹鋼得到明顯提升。

圖7 空蝕時(shí)間分別為3 h（a）和30 min（b）的316不銹鋼和CrTiAlN涂層的失重曲線和光鏡形貌（c）

3 結(jié)論

利用非平衡磁控濺射法在316不銹鋼基體上制備CrTiAlN涂層，通過正交實(shí)驗(yàn)方法，改變Cr、Ti、Al 3種靶材電流來調(diào)控涂層的成分，根據(jù)涂層的硬度得出了Cr、Ti、Al靶電流分別為4、8、8 A的最佳實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)。涂層的顯微硬度為1 242HV0.01，納米硬度為(17.00±0.99) GPa。CrTiAlN涂層表面呈圓顆粒狀，截面的致密度較高。涂層具有CrN、AlN、TiN衍射峰，結(jié)合力等級為HF3。CrTiAlN涂層的磨損率遠(yuǎn)小于316不銹鋼的磨損率，具有優(yōu)異的耐摩擦性能。與316不銹鋼相比，CrTiAlN涂層的腐蝕電流更小、腐蝕電位更大，具有更好的抗腐蝕性能。在空蝕實(shí)驗(yàn)前后，316不銹鋼的粗糙度從4.5 nm增至112.0 nm，CrTiAlN涂層試樣的粗糙度從4.8 nm增至10.0 nm，CrTiAlN涂層的粗糙度變化較小。這是由于涂層的硬度較高，在空蝕初期可以起到緩沖作用。隨著時(shí)間的延長，涂層會在表面缺陷處出現(xiàn)較小面積的剝落現(xiàn)象，并呈現(xiàn)逐層剝落趨勢。這說明多層涂層可以有效抵抗空蝕的破壞，提高金屬表面的抗空蝕性能，因此CrTiAlN涂層可作為防護(hù)涂層應(yīng)用于水利工程裝備關(guān)鍵部件。

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Preparation and Cavitation Erosion Resistance of CrTiAlN Coatings by Unbalanced Magnetron Sputtering

1,1,1,2,2,2,1,1*

(1. School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Department of Metallurgy and Materials Engineering, University of Malta, Msida 2080, Malta)

In order to improve the service performance of underwater propulsion systemsin complex and variable marine environment, surface modification technology has been widely used for the protection of the metal surface. To alleviate the problem of cavitation failure on the metallic surface of the power systems, CrTiAlN coating was prepared on AISI 316 stainless steel (316 SS) substrates by unbalanced magnetron sputtering technology. Through an orthogonal experimental design, the optimal target current of Cr, Ti, Al was obtained based upon the coating hardness. The phase, morphology, composition and surface roughness of the coating were characterized by XRD, SEM, EDS and AFM. Vickers and Rockwell hardness testing and scratch testing were used to evaluate the microhardness and the adhesion of the coating. The dry friction and wear resistance, corrosion resistance and cavitation erosion resistance of the coating were evaluated by Ball-disk wear, electrochemical test and cavitation erosion test, respectively. The results showed that the optimal target current of Cr, Ti and Al was 4 A, 8 A and 8 A respectively. The coating possessed 49.95% Cr, 11.99% Ti, 24.41% Al and 13.65% N; and the thickness and adhesion grade were 4.33 μm and HF3, respectively. Dense uniform round particles could be clearly observed on the coating surface, and the cross-sectional morphology showed that there were Cr bonding layer, CrN transition layer and CrTiAlN top layer with no obvious voids and defects. The nano-hardness of coating was (17.00±0.99)GPa much higher than that of 316 SS. During the ball-disk wear test,the friction coefficients of 316 SS and CrTiAlN coating were 0.45 and 0.34 respectively, and the maximum depth and width of wear scar of the coating were 1.13 μm and 286 μm, much less than those of 316 SS (12.14 μm and 665 μm), indicating the superior wear resistance. According to the surface morphology and composition analysis, the 316 SS suffers severe abrasive wear and oxidation wear, while the CrTiAlN coating undergoes mild oxidation wear and fatigue wear. In 3.5% NaCl solution, the CrTiAlN coating has the higher value of the corrosion potential and the lower value of the corrosion current than 316 SS. Thus, the coated material exhibits better corrosion resistance than bare 316 SS, which can significantly extend the service life. During the cavitation erosion tests for 30 min, no obvious weight loss has been identified, but the surface roughness (a) of 316 SS significantly increases from an average of 4.5 nm to 112.0 nm with the appearance of appreciable wrinkle patterns, and a large amount of cavitation pits can be observed. In contrast, the surface of the CrTiAlN coating becomes slightly rough, and thea increases from 4.8 nm to 10.0 nm. In addition, only sporadic peeling occurs at coating defects. It reveals that the CrTiAlN coating can effectively mitigate the impact of cavitation erosion and improve cavitation resistance of 316 SS. Therefore, CrTiAlN coating can be potentially used as a protective coating for key components of engineering equipment in the marine environment.

magnetron sputtering; CrTiAlN coating; friction and wear; corrosion; cavitation erosion

2022-12-18；

2023-05-06

TB33

A

1001-3660(2023)10-0367-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.032

2022-12-18；

2023-05-06

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFE0191500）；中馬合作項(xiàng)目

Ministry of Science and Technology of the People's Republic of China (2019YFE0191500); Malta Council for Science and Technology through the Sino-Malta Fund 2019 Call (Science and Technology Cooperation)

劉銘悅, 黃志全, 張習(xí)羽, 等.非平衡磁控濺射CrTiAlN涂層的制備及空蝕性能研究[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(10): 367-375.

LIU Ming-yue, HUANG Zhi-quan, ZHANG Xi-yu, et al. Preparation and Cavitation Erosion Resistance of CrTiAlN Coatings by Unbalanced Magnetron Sputtering[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 367-375.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：彭颋