钛铝系金属间化合物薄膜的制备和摩擦性能

田明霞,李长生,张晔,金岚,孙建

(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)

摘󰀁要:应用射频磁控溅射方法沉积钛铝系金属间化合物薄膜;用X射线衍射仪(XRD)、配有

能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)和UMT󰀁2型摩擦试验机对薄膜的相组成、形貌和摩擦性

能进行了分析。结果表明:该薄膜是由TiAl、TiAl3、Al2O3和TiO2相组成;薄膜表面晶粒均匀细

小;对于不同钛、铝含量的薄膜,当铝含量(原子分数)为45%时具有最低的摩擦因数;摩擦因数随

着载荷、转速和摩擦时间的增加而减小。

关键词:射频磁控溅射;钛铝系金属间化合物;薄膜;摩擦性能

中图分类号:TB331󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1000󰀁3738(2008)05󰀁0062󰀁03

TribologicalPropertiesandPreparationofTi󰀁AlIntermetallicFilm

TIANMing󰀁xia,LIChang󰀁sheng,ZHANGYe,JINLan,SUNJian

(JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract:Radiofrequency(RF)magnetronsputteringwasusedtoprepareTi󰀁Alintermetallicsfilm.The

filmwasexaminedbyXRD.ThesurfacemorphologyofthefilmwasanalyzedbySEMwithanattachedEDS.The

tribologicalpropertiesofthefilmweretestedbyUMT󰀁2frictiontestapparatus.Generally,thefilmiscomposedof

TiAl,TiAl3,Al2O3andTiO2.Thecrystalgrainsofthefilmareuniformandfine.Thefilmwith45at%Alshowed

thelowestfrictioncoefficient.Thefrictioncoefficientreducedwiththeincreaseofload,rotationrateandfriction

time.

Keywords:RFmagnetronsputtering;Ti󰀁Alintermetallics;film;tribologicalproperty

0󰀁引󰀁言

金属间化合物中金属键和共价键共存,使其兼

备金属的较好塑性和陶瓷的高温强度[1]。研究表

明[2],由于特殊的晶体结构,某些金属间化合物的强

度在一定范围内随着温度的升高(700~800󰀂)而

升高。目前已有约300种金属间化合物,由于具有

耐高温、抗氧化、耐磨损的特点,可望成为航空航天、

交通运输、化工、机械等许多工业部门重要的结构材

料。其中,钛铝系金属间化合物由于铝化合物本身

所具有的极高的抗氧化性能、较高的熔点、较低的密

度等特点,而成为研究焦点[3,4]。而以薄膜形式存

在的钛铝系金属间化合物,特别适合用于切割和加

工含铁材料,并且由于其高温抗氧化性能优良[5],还可用于高温部件上。

收稿日期:2007󰀁06󰀁28;修订日期:2007󰀁08󰀁28作者简介:田明霞(1982-),女,山东济宁人,硕士研究生。

导师:李长生教授目前关于钛铝系金属间化合物薄膜的研究报道

主要集中在其力学和高温抗氧化性的研究,对于其

摩擦性能很少涉及。为此,作者采用射频磁控溅射

的方法制备钛铝间化合物薄膜,并对其物相组成、表

面形貌和摩擦性能进行了分析。

1󰀁试样制备与试验方法

采用大连理工大学的微波ECR等离子体增强

沉积设备,用铝和钛双靶溅射的方法制备钛铝金属

间化合物薄膜。铝靶纯度99.99%,密度2.7g

cm-3,钛靶纯度99.99%,密度4.51g cm-3,均由

合肥科晶材料技术有限公司生产。在双靶磁控溅射

过程中,基体摆放位置不同,可以制备出不同原子比

的薄膜,见图1。工作气体为纯度99.999%的氩气,

基体为45钢。将基体加工成󰀁15mm!15mm的

试样,经研磨、抛光至镜面后,用乙醇、丙酮和去离子

水进行超声波清洗后放入磁控反应室。抽真空至5!10-4Pa后,对基体表面进行氩离子预溅射处理,

去除表面残留的吸附物和氧化物,5min后沉积薄

62 第32卷第5期2008年5月机󰀁械󰀁工󰀁程󰀁材󰀁料

Materials󰀁for󰀁Mechanical󰀁EngineeringVol.32󰀁No.5May󰀁2008膜。工艺参数为靶基距83mm,氩气流量60cm3

s-1,真空室内温度为室温,工作气压为1Pa,钛靶和

铝靶溅射功率均为150W,沉积时间2h[6-9]。

图1󰀁基体的摆放位置

Fig.1󰀁Relativepositionofsubstrates

用SKF󰀁2󰀁12可编程高温炉对沉积后的试样进

行热处理,氩气保护,热处理温度600~800󰀂,时间

1h。

用D/MAX󰀁RC型X射线衍射仪(XRD)和JE󰀁

OL󰀁JXA󰀁840A型扫描电镜(SEM,附能谱仪)分析

薄膜的相组成和形貌。用UMT󰀁2型摩擦试验机进

行摩擦试验,试验条件为无润滑、室温;摩擦副为

GCr15(󰀁3mm),表面粗糙度Ra∀0.05󰀂m,硬度61

HRC,载荷分别为1~5N,摩擦线速度0.1~0.5m s-1,摩擦时间15min。

2󰀁结果和讨论

2.1󰀁薄膜的相组成

热处理温度在600~800󰀂时,Ti󰀁Al系的反应

主要可以用以下方程来描述:

2Ti+4Al#TiAl3+TiAl

Ti+O2#TiO24Al+3O2#2Al2O37Al+3TiO2#3TiAl+2Al2O3󰀁󰀁反应初期,一部分钛原子和铝原子反应生成

TiAl3和TiAl,由于高温炉中仍有少量的氧气存在,

另一部分钛原子和铝原子则分别与氧气发生化学反

应,生成了TiO2和Al2O3。最后由于Al2O3与

TiAl都是铝化物,且热膨胀系数也很接近,从而保

证了其化学稳定性和相容性,所以会发生铝热反应:

Al+TiO2#TiAl+Al2O3。

由图2可见,反应按照设计进行,钛铝薄膜的衍

射谱中约44∃的位置上产生了衍射峰,为TiAl相;

约37∃,64∃,75∃和82∃的位置上产生的衍射峰均为

TiAl3相。另外,衍射谱上还出现了较多的Al2O3相和TiO2相。这说明采用射频磁控溅射方法成功

制备出了钛铝系金属间化合物薄膜。图2󰀁钛铝薄膜的XRD谱Fig.2󰀁X󰀁raydiffractionofTi󰀁Alfilm

2.2󰀁薄膜的形貌

用射频磁控溅射方法制备的钛铝系金属间化合

物薄膜表面晶粒均匀细小、晶粒结合紧密无裂缝,可

以有效阻止薄膜的氧化,减少TiO2的形成。由图

3a可见,黑色区域经电子探针能谱分析为Al2O3颗

粒,白色物质为TiO2颗粒。通过比较可知,Al2O3颗粒比TiO2颗粒多。这是因为薄膜在进行热处理

过程中,不仅薄膜表面的铝原子被氧化,而且内部的

铝原子也迁移到表面取代钛原子的位置被氧化而生

成Al2O3,发生了铝热反应。由图3a中还可见,

Al2O3呈点状不连续分布,阻止了TiO2的进一步生

长。由图3b可见,薄膜的磨痕表面相对比较平整,

只有轻微擦伤引起的犁沟,磨痕边缘的磨粒细小,没有观察到裂纹的产生。

(a)󰀁表面󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(b)󰀁摩擦划痕

图3󰀁钛铝薄膜的SEM形貌Fig.3󰀁SEMmicrographsofTi󰀁Alfilm

2.3󰀁摩擦性能

由双靶射频磁控溅射方法制备的钛铝金属间化

合物薄膜试样由于基体摆放位置的不同,使得这些

薄膜具有不同的组分,铝含量为0%~100%(原子

分数,下同)。钛铝薄膜中含有的TiO2具有相当好

的韧性,不易发生脆性断裂和裂纹,使该薄膜具有较

长的磨损寿命。但TiO2薄膜一般在400󰀂以下使

用,过多的TiO2会限制该薄膜在高温下的使用性

能。另外TiO2的摩擦性能不如Al2O3好。Al2O3具有硬度高、摩擦因数低、化学稳定性好及耐腐蚀性

优良等特点,可用作耐滑动摩擦涂层材料。但是

63 田明霞,等:钛铝系金属间化合物薄膜的制备和摩擦性能Al2O3的韧性较差,影响薄膜的磨损寿命。将TiO2颗粒渗入Al2O3晶格产生固溶,能提高薄膜的韧性

和耐腐蚀性;另一方面,大部分的TiO2可粘在

Al2O3颗粒之间,提高薄膜的致密度、粘结强度,有

利于耐腐蚀性及耐磨损性的进一步提高。为了得到

摩擦性能较好的钛铝薄膜的组分,作者进行了摩擦

试验,载荷2N,摩擦线速度0.2m s-1。由图4可

见,摩擦15min后铝含量约为45%的薄膜试样摩

擦因数最低,摩擦性能最好。

图4󰀁不同组分的钛铝薄膜的摩擦因数Fig.4󰀁FrictioncoefficientoftheTi󰀁Alfilmswithdifferentcompositions

由图5可见,钛铝薄膜(铝含量约45.5%)的摩

擦因数随着法向载荷和线速度的增大总体均呈下降

趋势,并且逐渐趋于一个稳定的数值。线速度为0.

2m s-1,每隔180s载荷增加1N,钛铝薄膜的摩

擦因数从0.08降到0.02(曲线1);载荷为2N时,

每隔180s线速度增加0.1m s-1,钛铝薄膜的摩

擦因数从0.12左右降到到0.04(曲线2)。

图5󰀁变载荷和变转速下钛铝薄膜的摩擦因数Fig.5󰀁FrictioncoefficientofTi󰀁Alfilmbychangingoftheloadandtherotationspeed

钛铝薄膜的摩擦因数随着法向载荷和线速度的

增大而减小,作者认为这是由于在小载荷和低速下,

薄膜试样与摩擦副的摩擦主要以局部的微颗粒断续

机械撞击为主,脱落的细小晶粒在摩擦区阻碍了两者之间的相对运动,所以摩擦因数较大。而在大载

荷和高速下,其转变为连续的机械摩擦力,摩擦区内

薄膜的相对强度增加,细小晶粒很少脱落,其摩擦因

数相对较小。

3󰀁结󰀁论

(1)试验制备的薄膜是由TiAl、TiAl3、Al2O3和TiO2相组成,说明其为钛铝间化合物薄膜。薄

膜表面晶粒均匀细小、晶粒结合紧密无裂缝,磨痕表

面相对比较平整。

(2)铝含量在45%时,钛铝间化合物薄膜的摩

擦性能最好。在载荷、转速和摩擦时间增加时,其摩

擦因数均会发生一定程度的降低,摩擦因数最小可

达0.02。

参考文献:

[1]󰀁陈国良.金属间化合物结构材料的研究现状与发展[J].材料导报,2000,14(9):1-5.[2]󰀁艾桃桃,王芬,陈平.金属间化合物的制备方法及应用[J].稀有金属快报,2006,25(1):5-12.

[3]󰀁YangBin,ChenGuoxiang,ZhangJishan.EffectofTi/Caddi󰀁tionsontheformationofAl3TiofinsituTiC/Alcomposites[J].Materials&Design,2001,22:645-650.[4]󰀁王华明,李晓轩,于利根.TiAl金属间化合物合金激光表面合金化组织与摩擦学性能[J].航空学报,2000,21(增刊):15-19.

[5]󰀁李向阳,张永刚,陈昌麒.Al含量对二元Ti󰀁Al合金高温氧化行为的影响[J].稀有金属材料与工程,199726(5):35-39.[6]󰀁HerzigChr,PrzeorskiT,MishinY.Self󰀁diffusionin 󰀁TiAl:anexperimentalstudyandatomisticcalculations[J].Interme󰀁tallics,1999,7:389-404.

[7]󰀁MishinY,HerzigChr.DiffusionintheTi󰀁Alsystem[J].Ac󰀁tamaterialla,2000,48:589-623.[8]󰀁OhnumaH,NihiraN,MitsuoA,etal.Effectofaluminumconcentrationonfrictionandwearpropertiesoftitaniumalu󰀁minumnitridefilms[J].SurfaceandCoatingsTechnology,

2004,177/178:623-626.[9]󰀁KaleAN,RavindranathK,KothariDC,etal.Tribologicalpropertiesof(Ti,Al)Ncoatingsdepositedatdifferentbiasvoltagesusingthecathodicarctechnique[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2001,145:60-70.

科技新闻 纳米高分子材料技术研究中心在温州大学挂牌

温州市新材料行业技术研究中心在温州大学挂牌成立。今后,该中心将在纳米材料与技术、高分子材料、荧光材料与技术、自清洁材料与技术等领域开展基础和应用型研发。该中心是根据国际新材料技术的发展趋势和我国新材料发展规划,结合温州市新材料技术研究和产业的现状及温大材料学科建设规划,依托温大建设并挂牌成立的。该中心自2006年9月开始筹建,计划投资2500万元,在两年内完成建设任务,并争取成为浙江从事新材料技术研究与开发的人才和技术储备基地。据悉,该中心由钱江学者、中心主任黄少铭教授领衔建设,拥有包括9名博士在内的研究团队。

64 田明霞,等:钛铝系金属间化合物薄膜的制备和摩擦性能