材料保护
MATERIALS PROTECTION
1999年 第32卷 第1期 No.1 vol.32
1999
PCVD-TiN,TiAlN及TiSiN涂层的抗高温氧化性能
彭红瑞 石玉龙 谢 雁 赵 程
摘 要 研究了用PCVD法所制备的TiN，TiAlN和TiSiN硬质涂层的抗高温氧化性能及TiN 涂层在双氧水介质中的抗氧化性能。
结果表明，TiAlN,TiSiN涂层在空气中的抗高温氧化温度达700 ℃以上，TiN涂层可达600 ℃。
在双氧水介质中，PCVD-TiN涂层仍具有较强的抗氧化能力，且优于PVD-TiN涂层。
关键词 涂层 抗氧化性能 等离子体化学气相沉积 TiN TiAlN TiSiN
1 前 言
等离子体化学气相沉积(PCVD)TiN类硬质涂层技术具有沉积温度低(600 ℃)和挠度好等特点。
高速钢工具和模具上沉积TiN类硬质涂层已得到较为广泛的研究及应用[1～6]，但这也仅限于用此提高耐磨性及使用寿命，而对它抗高温氧化性能的研究却较少。
国内某精密轴承的工作环境温度为300 ℃，瞬间可达420 ℃，而其高温氧化试验在空气中加热到580 ℃，保温30 min后，要求工件表面涂层无剥落等缺陷[5]。
经过反复试验，我们最后选用了PCVD法沉积TiN涂层，作为轴承内外圈表面的抗氧化涂层，并取得了成功[7]。
为此，我们对PCVD-TiN，TiAlN,TiSiN及PVD-TiN等涂层进行了抗氧化性能的研究，以期了解并掌握这些涂层的抗氧化性能。
2 试验方法
PCVD-TiN，TiAlN,TiSiN涂层的制备在自制的PCVD设备上进行[8]，PVD-TiN涂层用多弧离子镀设备制备。
试验材料为W18Cr4V高速钢刀片，加工成16×10×3，再用金相砂纸抛光成镜面。
PCVD-TiN,TiAlN,TiSiN和PVD-TiN涂层厚度为2.5～3.5 μm。
抗高温氧化试验在管式加热炉中进行：将以PCVD法沉积的TiN,TiAlN,TiSiN涂层及用PVD法沉积的TiN涂层高速钢试样放入管式炉中，大气条件下加热到300～700 ℃，保温30 min后取出，空冷至室温，观察分析其表面状态。
抗双氧水的氧化试验是将经PCVD和PVD法沉积的TiN涂层试样浸入浓度为20%的双氧水中，加热至70 ℃，保持10～120 min。
试样取出后用水冲净、吹干，进行观察分析。
3 试验结果
表1为PCVD-TiN,TiAlN,TiSiN及PVD-TiN涂层在空气中抗高温氧化的试验结果。
可以看出，PCVD-TiAlN及TiSiN涂层的抗高温氧化性能最好。
PCVD-TiN涂层的抗高温氧化温度仅为600 ℃，温度再高，涂层开始剥落。
PVD-TiN涂层加热到500 ℃就开始剥落，其抗高温氧化性较差。
表1 PCVD-TiN，TiAlN,TiSiN及PVD-TiN的抗高温氧化性能
加热温度
(℃)
300400500550600700
PCVD- TiN 表面完好
颜色不变
表面完好
略微变红
表面完好
呈浅蓝色
表面完好
呈蓝色
表面完好
呈蓝色
部分
剥落
PCVD- TiAlN*表面完好
颜色不变
表面完好
颜色不变
表面完好
颜色不变
表面完好
颜色不变
表面完好
颜色不变
表面完好
颜色略深
PCVD- TiSiN**表面完好
颜色不变
表面完好
颜色不变
表面完好
颜色变浅
表面完好
颜色变浅
表面完好
颜色微蓝
表面完好
颜色浅蓝
PVD-TiN 表面完好
颜色不变
表面完好
表面浅蓝
开始剥落剥落--
*:TiAlN涂层中Al含量为9% at；**:TiSiN涂层中Si含量为45% at。
由表2可见，PCVD-TiN在双氧水介质中仍有较强的抗氧化性能。
在试验时间内，PCVD-TiN涂层保持了其完好性。
本试验曾将PCVD-TiN涂层的试样置于双氧水中长达数小时，结果仍未使涂层完全脱落。
PVD-TiN涂层在双氧水中浸泡10 min，涂层即开始剥落，浸泡30 min，涂层即完全脱落。
表2 PCVD-TiN及PVD-TiN在双氧水中的抗氧化性能
浸泡时间
(min)
10203060120 PCVD-TiN涂层完好涂层完好涂层完好涂层完好涂层完好
PVD-TiN
涂层
开始剥落
涂层基本
剥落
涂层
完全剥落
对于PVD-TiN试样，根据文献［9］利用双氧水进行退镀，取得了良好的结果，但对于PCVD-TiN试样，上述方法几乎不起作用，长时间浸泡，虽能部分退掉但会造成工件腐蚀。
4 讨 论
图为PCVD-TiN，TiAlN,TiSiN涂层断口组织的扫描电镜结果。
由图a可以看出，PCVD-TiN 涂层具有典型的柱状晶结构，其晶粒的生长是从基体一直延伸到表面。
这种结构有可能形成一定的空隙，使TiN涂层的氧化可以沿晶界发生。
在PCVD-TiN涂层中掺入A1元素后，TiN的柱状晶结构就不太明显了(见图b)。
同时，A1元素与氧有极强的亲合力，在涂层的表面极易形成致密的氧化膜，从而提高了涂层的抗氧化能力。
在PCVD-TiN涂层中加入Si元素后完全破坏了原TiN 涂层的柱状晶结构，由非晶的Si3N4和多晶的TiN形成了致密的TiSiN涂层[10]，在扫描电镜4 000倍下仍看不出任何孔隙及晶界(见图c)。
因此，TiSiN涂层较纯TiN涂层有较强的抗氧化能力。
与PVD-TiN相比，PCVD-TiN表面吸附了大量的氧，俄歇电子能谱分析所证实[11]，其表面含氧量已趋于饱和。
因此，PCVD-TiN比PVD-TiN具有更强的抗氧化能力。
另外，两者的制备方法不同，涂层性能也有差别，从而其抗氧化能力亦有所不同。
图 TiN,TiAlN,TiSiN涂层的SEM断口形貌
5 结 论
(1) PCVD-TiAlN,TiSiN涂层具有较强的抗高温氧化性能，其温度高达700 ℃以上，涂层也不会发生任何剥落。
(2) PCVD-TiN涂层的抗高温氧化深度可达600 ℃，较PVD-TiN的抗氧化能力强。
(3) 在双氧水氧化介质条件下，PCVD-TiN仍显示出较强的抗氧化能力，很难用这种方法实现TiN涂层的退镀。
作者单位：青岛化工学院等离子表面技术研究所(266042)
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(收稿日期 1998－08－09 责任编辑 徐 军)
PCVD-TiN,TiAlN及TiSiN涂层的抗高温氧化性能
作者：彭红瑞， 石玉龙， 谢雁， 赵程
作者单位：青岛化工学院等离子表面技术研究所,266042
刊名：
材料保护
英文刊名：MATERIALS PROTECTION
年，卷(期)：1999,32(1)
被引用次数：13次
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10.Li Shizhi;Shi Yulong;Peng Hongrui Ti-Si-N Films Prepared by Plasma-Enhanced Chemical Vpaor Deposition Plasma Chemistry and Plasma Processing 1992(03)
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引用本文格式：彭红瑞.石玉龙.谢雁.赵程PCVD-TiN,TiAlN及TiSiN涂层的抗高温氧化性能[期刊论文]-材料保护 1999(1)。
