高溫鋁液中TiAlN硬鍍層失效機理研究

　　利用非平衡磁控濺射法在H13鋼表面制備TiAlN鍍層，將其在740℃的鋁液中靜態(tài)腐蝕4 h，研究鍍層在鋁液中的失效機理。用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對失效部位進(jìn)行形貌觀(guān)察及能譜分析。結果表明：引起鍍層失效主要是由于鋁液通過(guò)鍍層邊界區或鍍層缺陷處侵入鍍層與基體的界面，且與基體材料發(fā)生了反應腐蝕，最終引起鍍層的剝落而失效。鍍層失效過(guò)程可分為鋁液滲入階段，緩慢腐蝕階段，快速腐蝕階段，鍍層斷裂剝落階段這四個(gè)階段。

　　H13鋼被廣泛地應用于鋁壓鑄模具，實(shí)際工況下，模具承受高溫高壓、冷熱交替作用，并與鋁液直接接觸，環(huán)境惡劣。通常模具會(huì )產(chǎn)生鋁液腐蝕，熱疲勞等失效行為。

　　目前延緩鋁壓鑄模具失效的方法主要有模具表面離子滲氮，滲硼，蒸汽氧化和沉積鍍層。TiAlN 鍍層具有良好的承載能力，且氧化溫度高、熱硬性好、附著(zhù)力強、耐磨性好，將其作為鋁壓鑄模具抗鋁液腐蝕防護層的研究已有報道。V. Joshi 等研究表明，在溫度為680℃鋁液中腐蝕5 h 后，表面沉積TiN /TiAlN 鍍層試樣的熱熔損量約為H13鋼的20%。Kazuki Kawataa 等采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PEVCD) 制備的TiAlN/TiN 鍍層具有較好的保護基體作用，在溫度為680℃鋁液中經(jīng)14 h后試樣失重僅為0. 1 g /cm2，但14 h 之后，失重數量急劇上升。Yucong Wang采用PVD 方法在H13鋼上沉積厚度為3 ～5 μm 厚度的TiAlN 鍍層，經(jīng)730℃鋁液10000 ～30000 次熱疲勞試驗后，其抗鋁液腐蝕性能比未鍍膜H13 鋼大有提高。

　　鍍層雖然具有良好的保護性能，但隨著(zhù)時(shí)間的推延，仍存在失效剝落的可能性，上述文獻中KazukiKawataa 等提及的鋁液浸蝕，在14 h 后失重急劇上升，V. Joshi 的研究中能測到熱熔損量。迄今有關(guān)鍍層在高溫鋁液中的失效機理缺少深入的報道，本文以H13鋼基體上的磁控濺射TiAlN鍍層為研究對象，通過(guò)鍍層在高溫鋁液中長(cháng)時(shí)間浸蝕后對表面、截面形貌變化和成分分析等途徑，探討硬質(zhì)鍍層在高溫鋁液中的失效機理。

　　1、實(shí)驗材料與方法

　　基體材料選用調質(zhì)處理后的AISI H13鋼，硬度48-52HRC。表面經(jīng)拋光后用丙酮超聲波清洗30min，之后用熱風(fēng)吹干裝爐。

　　鍍膜采用英國TEER公司生產(chǎn)的UDP-650/4 型閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍膜設備，靶1、3 選用純度為99.9%的Ti 靶，靶2、4 是含Al70%的TiAl 合金靶，尺寸都為145 mm × 345 mm × 8 mm。TiAlN 鍍層工藝參數如下：濺射氣體為純度99.999%的Ar 氣，流量為30 mL/min。本底真空度低于4 × 10^-3 Pa 后，靶電流設置為0.3 A，基體偏壓- 500 V 用于等離子清洗試樣表面30 min。鍍層的制備過(guò)程為先鍍一層Ti作為過(guò)渡層，然后開(kāi)始通入N2鍍TiN 層過(guò)渡，最后鍍TiAlN 層。鍍膜過(guò)程中的N2流量是OEM系統根據靶表面的濺射離子的光強進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋控制。

　　鋁液浸蝕實(shí)驗在自制熱疲勞試驗機上的坩堝熔煉爐里進(jìn)行。為了模擬實(shí)際工況下，坩堝中的鋁被加熱到740℃使之處于液態(tài)，鍍層試樣被浸在鋁液中靜態(tài)腐蝕4 h。之后待鋁液呈半凝固狀態(tài)時(shí)，試樣隨其周邊的鋁一起拿出。而后進(jìn)行切割制成金相試樣。用于表面觀(guān)察的試樣則用飽和氫氧化鈉溶液洗去包覆在試樣表面的鋁。分別用光學(xué)顯微鏡和HitachiS - 4800 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM) 從表面和截面觀(guān)測鍍層失效形貌并做能譜(EDS) 分析。

　　3、結論

　　致密的TiAlN 鍍層在鋁液中具有良好的穩定性，不與鋁液發(fā)生反應，對基體具有一定保護的作用。鍍層未覆蓋的邊緣區域和缺陷部位是高溫鋁液浸入鍍層的主要通道。導致鍍層失效并不是由于鍍層直接與鋁液反應，而是由于鋁液與基體生成的反應物的作用。本實(shí)驗中硬質(zhì)鍍層的失效過(guò)程可分為三個(gè)階段，即鋁液滲入階段，鋁液腐蝕階段，鍍層斷裂剝落階段。這三個(gè)階段循環(huán)反復進(jìn)行，使鍍層大面積剝落而失效。