高温铝液中TiAlN硬镀层失效机理研究

　　利用非平衡磁控溅射法在H13钢表面制备TiAlN镀层，将其在740℃的铝液中静态腐蚀4 h，研究镀层在铝液中的失效机理。用场发射扫描电子显微镜对失效部位进行形貌观察及能谱分析。结果表明：引起镀层失效主要是由于铝液通过镀层边界区或镀层缺陷处侵入镀层与基体的界面，且与基体材料发生了反应腐蚀，最终引起镀层的剥落而失效。镀层失效过程可分为铝液渗入阶段，缓慢腐蚀阶段，快速腐蚀阶段，镀层断裂剥落阶段这四个阶段。

　　H13钢被广泛地应用于铝压铸模具，实际工况下，模具承受高温高压、冷热交替作用，并与铝液直接接触，环境恶劣。通常模具会产生铝液腐蚀，热疲劳等失效行为。

　　目前延缓铝压铸模具失效的方法主要有模具表面离子渗氮，渗硼，蒸汽氧化和沉积镀层。TiAlN 镀层具有良好的承载能力，且氧化温度高、热硬性好、附着力强、耐磨性好，将其作为铝压铸模具抗铝液腐蚀防护层的研究已有报道。V. Joshi 等研究表明，在温度为680℃铝液中腐蚀5 h 后，表面沉积TiN /TiAlN 镀层试样的热熔损量约为H13钢的20%。Kazuki Kawataa 等采用等离子体增强化学气相沉积(PEVCD) 制备的TiAlN/TiN 镀层具有较好的保护基体作用，在温度为680℃铝液中经14 h后试样失重仅为0. 1 g /cm2，但14 h 之后，失重数量急剧上升。Yucong Wang采用PVD 方法在H13钢上沉积厚度为3 ～5 μm 厚度的TiAlN 镀层，经730℃铝液10000 ～30000 次热疲劳试验后，其抗铝液腐蚀性能比未镀膜H13 钢大有提高。

　　镀层虽然具有良好的保护性能，但随着时间的推延，仍存在失效剥落的可能性，上述文献中KazukiKawataa 等提及的铝液浸蚀，在14 h 后失重急剧上升，V. Joshi 的研究中能测到热熔损量。迄今有关镀层在高温铝液中的失效机理缺少深入的报道，本文以H13钢基体上的磁控溅射TiAlN镀层为研究对象，通过镀层在高温铝液中长时间浸蚀后对表面、截面形貌变化和成分分析等途径，探讨硬质镀层在高温铝液中的失效机理。

　　1、实验材料与方法

　　基体材料选用调质处理后的AISI H13钢，硬度48-52HRC。表面经抛光后用丙酮超声波清洗30min，之后用热风吹干装炉。

　　镀膜采用英国TEER公司生产的UDP-650/4 型闭合场非平衡磁控溅射离子镀膜设备，靶1、3 选用纯度为99.9%的Ti 靶，靶2、4 是含Al70%的TiAl 合金靶，尺寸都为145 mm × 345 mm × 8 mm。TiAlN 镀层工艺参数如下：溅射气体为纯度99.999%的Ar 气，流量为30 mL/min。本底真空度低于4 × 10^-3 Pa 后，靶电流设置为0.3 A，基体偏压- 500 V 用于等离子清洗试样表面30 min。镀层的制备过程为先镀一层Ti作为过渡层，然后开始通入N2镀TiN 层过渡，最后镀TiAlN 层。镀膜过程中的N2流量是OEM系统根据靶表面的溅射离子的光强进行动态反馈控制。

　　铝液浸蚀实验在自制热疲劳试验机上的坩埚熔炼炉里进行。为了模拟实际工况下，坩埚中的铝被加热到740℃使之处于液态，镀层试样被浸在铝液中静态腐蚀4 h。之后待铝液呈半凝固状态时，试样随其周边的铝一起拿出。而后进行切割制成金相试样。用于表面观察的试样则用饱和氢氧化钠溶液洗去包覆在试样表面的铝。分别用光学显微镜和HitachiS - 4800 场发射扫描电子显微镜(SEM) 从表面和截面观测镀层失效形貌并做能谱(EDS) 分析。

　　3、结论

　　致密的TiAlN 镀层在铝液中具有良好的稳定性，不与铝液发生反应，对基体具有一定保护的作用。镀层未覆盖的边缘区域和缺陷部位是高温铝液浸入镀层的主要通道。导致镀层失效并不是由于镀层直接与铝液反应，而是由于铝液与基体生成的反应物的作用。本实验中硬质镀层的失效过程可分为三个阶段，即铝液渗入阶段，铝液腐蚀阶段，镀层断裂剥落阶段。这三个阶段循环反复进行，使镀层大面积剥落而失效。