Artur Shugurov教授团队研究成果：Ta含量对钛基Ti-Al-Ta-N涂层划痕行为的影响 | MDPI Metals

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作者介绍

Artur Shugurov 教授

俄罗斯科学院

Artur Shugurov 教授 1992 年毕业于俄罗斯托木斯克国立大学物理系；2000 年毕业于俄罗斯科学院西伯利亚分院强度物理与材料科学研究所并完成研究生学习，后于 2016 年获得理学博士学位。2021 年起，一直在该研究所任领衔研究员。迄今为止，已发表 150 余篇物理学和材料科学方面的原创型研究论文。

文章导读

提高钛零件表面硬度和耐磨性的最有效方法之一是在其表面涂覆坚硬的保护层。其中，Ti-Al-Ta-N 涂层具有较好的韧性、热稳定性和抗氧化性。然而，随着 Ta 含量的增加，Ti-Al-Ta-N 涂层的韧性会增加，同时硬度和杨氏模量会降低。在涉及软钛基材的情况下，这可能会导致涂层/基材的承重能力下降。因此，基材的塑性流动会导致涂层产生较大的弯曲变形，进而导致涂层的突变失效。本文研究了 Ta 合金化对磁控溅射 Ti-Al-Ta-N 涂层的结构、力学性能和划痕行为的影响，以优化用于摩擦学应用的 Ta 含量。

实验结果

低 Ta 含量 (y<0.35) 的 Ti_1-x-yAl_xTa_yN 涂层呈 V 形晶粒 (图1a)，结合 XRD (X-ray Diffraction) 结果可知，此时体现为 (111) 晶面。相比之下，在 Ta 含量较高 (y≥0.35) 时，晶面由 (111) 变为 (200) (图2)，形成了沿整个涂层厚度平行边界的直柱状晶粒 (图1b)。

图1. (a) Ti_0.45Al_0.55N 和 (b) Ti_0.27Al_0.28Ta_0.45N 涂层的横截面 SEM (Scanning Electron Microscope) 显微照片。

图2. 不同 Ta 含量 Ti1-x-yAlxTayN 涂层的 x 射线衍射图。

随着 Ta 含量的增加，涂层的硬度和杨氏模量整体呈下降趋势。然而，杨氏模量不断下降，涂层硬度在 y=0.35 处出现局部峰值。因此，通常用于评价涂层延性和韧性的 H/E 比值也在 y=0.35 处出现峰值。此外，涂层表面压痕的残余深度 (h_r) 被用来表征涂层/基材的承载能力。研究结果表明，Ti_0.45Al_0.55N 涂层的 H 值和 E 值较高，承载能力最强，而 Ti_0.20Al_0.15Ta_0.65N 涂层的承载能力最低 (表1)。

表1. Ti1-x-yAlxTayN 涂层的力学性能。

除了 Ti_0.31Al_0.34Ta_0.35N，大多数 Ti_1-x-yAl_xTa_yN 涂层的特征在于与第一次开裂事件相对应的临界载荷 L_c1 的接近值 (~10 N)，其中开裂发生在明显较高的载荷下 (13.4 N)。后者可归因于其涂层具有较高的韧性、承载能力和压缩应力，抑制了裂纹的萌生和扩展。所有 Ta 合金涂层的 L_c2 载荷 (对应于涂层大量剥落) 均高于 Ti_0.45Al_0.55N。然而，与 L_c1 相比，L_c2 载荷会随着 Ta 含量的增加而增加。当 Ta 含量达到 y=0.35 时，L_c2 载荷随之下降 (图3)。

图3. (a) Ti_0.45Al_0.55N 涂层的划痕、摩擦系数 (μ)、声发射信号 (Acoustic Emission, AE) 和临界载荷；(b) Ti_0.41Al_0.49Ta_0.10N 涂层；(c) Ti_0.37Al_0.43Ta_0.20N 涂层；(d) Ti_0.31Al_0.34Ta_0.35N 涂层；(e) Ti_0.27Al_0.28Ta_0.45N 涂层；(f) Ti_0.20Al_0.15Ta_0.65N 涂层。

Ti_0.31Al_0.34Ta_0.35N 涂层附着力提高的主要原因是其具有较高的韧性和承载能力。因此，当 y≥0.35 时，涂层的附着力比 y<0.35 时更强，涂层的韧性也更高。然而，Ti_0.27Al_0.28Ta_0.45N 和 Ti_0.20Al_0.15Ta_0.65N 涂层的承载能力下降，导致探针进入样品的深度增加。后者导致更多的基材从凹槽中位移，并会在划痕侧翼和移动的触针之前形成更大的堆积。大的堆积会导致涂层的弯曲更强，促进了整个厚度裂纹的成核和扩展，从而导致涂层分层。

(H/E)/h_r 比率被用来描述观察到的 L_c2 负载的变化。结果表明，当 y<0.35 时，涂层增韧导致 (H/E)/h_r 值略有增加，但涂层的承载能力有所下降。在 Ti_0.31Al_0.34Ta_0.35N 涂层中，随着 H/E 的增加和 h_r 的降低，二者的比值急剧增加。当 y 值较大时，(H/E)/h_r 比值随着承载能力的降低而降低。图4展示了 Ti_1-x-yAl_xTa_yN 涂层的临界负载 L_c2 与 (H/E)/h_r 比值，这清楚地揭示了 L_c2 的整体增加趋势。然而，临界负载的两个不同变化区域 (近似于第 1 行和第 2 行) 可以区分开来。第 1 个区域对应 y<0.35 涂层，此时位于低 (H/E)/h_r 值，L_c2 快速增长。第 2 个区域属于 y≥0.35 的涂层，其拟合线斜率明显较小。区域 1 中 L_c2 的增加可归因于涂层与 Ta 的合金化导致的增韧，从而抑制了裂纹扩展和涂层分层。在较高的 (H/E)/h_r 比 (面积 2) 下，L_c2 的增加与涂层的韧性无关，但与涂层承载能力的增加可以很好地吻合。线 1 和线 2 的不同斜率表明了具有低和高 Ta 含量的 Ti_1-x-yAl_xTa_yN 涂层的不同摩擦力学行为。这说明涂层在 y≥0.35 时的划痕性能下降与其结构变化有关，即 (200) 织构的形成和贯穿整个涂层厚度的直柱状晶粒的形成。

图4. Ti_1-x-yAl_xTa_yN 涂层大规模剥落的临界载荷与 (H/E)/h_r 比值的函数关系。

研究结论

本研究结果表明，Ti-Al-N 涂层与 Ta 的合金化，一方面会使其韧性增加，另一方面也会使其承载能力下降。此外，Ti-Al-N 中加入 Ta 原子会导致 Ti_1-x-yAl_xTa_yN 涂层的残余压应力增强，Ta 含量可增加到 y=0.35。由于高韧性和高承载能力的有效结合，当 Ta 含量为 0-0.65 时，Ti_0.31Al_0.34Ta_0.35N 涂层的抗裂性和附着力最高。

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阅读英文原文

原文出自 Metals 期刊

Shugurov, A.; Kuzminov, E. Effect of Ta Content on Scratching Behavior of Ti-Al-Ta-N Coatings on Titanium Substrate. Metals 2022, 12, 1017.

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Edited by Artur Shugurov

Submission Deadline: 31 October 2022

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文案审校

张清云 博士研究生

北京交通大学

   Metals 期刊介绍

主编：

Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee, USA

期刊发表涵盖金属材料和冶金工程领域研究以及科技发展研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	2.695
2021 CiteScore	3.8
Time to First Decision	17.3 days
Time to Publication	34 days

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