引 en
×

分享给微信好友或者朋友圈

使用微信“扫一扫”功能。

磁控溅射银镀层和电镀银镀层硬度及结合性对比研究∗

  • 宋肖肖1

    机 构：

    1. 中国民航大学中欧航空工程师学院 天津 300300

    ×
  • ， 崔子凡1

    机 构：

    1. 中国民航大学中欧航空工程师学院 天津 300300

    ×
  • ， 何鹏1

    机 构：

    1. 中国民航大学中欧航空工程师学院 天津 300300

    ×
  • ， 胡隆伟2

    机 构：

    2. 贵州航天精工股份有限公司 遵义 563006

    ×
  • ， 董艇舰3

    机 构：

    3. 中国民航大学航空工程学院 天津 300300

    ×

1. 中国民航大学中欧航空工程师学院 天津 300300；
2. 贵州航天精工股份有限公司 遵义 563006；
3. 中国民航大学航空工程学院 天津 300300；

Comparison of Hardness and Adhesion Strength between Magnetron Sputtered and Electroplated Silver Coatings

  • SONG Xiaoxiao1

    Affiliation：

    1. Sino-European Institute of Aviation Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 , China

    ×
  • ， CUI Zifan1

    Affiliation：

    1. Sino-European Institute of Aviation Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 , China

    ×
  • ， HE Peng1

    Affiliation：

    1. Sino-European Institute of Aviation Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 , China

    ×
  • ， HU Longwei2

    Affiliation：

    2. Guizhou Aerospace Precision Co., Ltd., Zunyi 563006 , China

    ×
  • ， DONG Tingjian3

    Affiliation：

    3. Aeronautical Engineering Institute, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 , China

    ×

1. Sino-European Institute of Aviation Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 , China；
2. Guizhou Aerospace Precision Co., Ltd., Zunyi 563006 , China；
3. Aeronautical Engineering Institute, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300 , China；

作者简介:

宋肖肖,男,1990年出生,硕士,实验师。主要研究方向为航空功能涂层性能。E-mail:songxiaoxiaohit@163.com

通讯作者:

董艇舰,男,1963年出生,博士,副教授。主要研究方向为航空功能涂层性能。E-mail:tjdong@cauc.edu.cn

中图分类号:TG174

文献标识码:A

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20201224001

参考文献 1
何鹏飞,王海斗,马国政,等.含银硬质涂层高温摩擦学性能的研究进展[J].中国有色金属学报,2015,25(11):2962-2974.HE Pengfei,WANG Haidou,MA Guozheng,et al.Research progress of high-temperature tribological properties of silver-containing hard coatings[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2015,25(11):2962-2974.
查找原文
参考文献 2
隋明丽,张辉.发动机高温合金紧固件高温粘结研究[J].航空标准化与质量,2012(3):14-16.SUI Mingli,ZHANG Hui.Research on high temperature bonding of engine superalloy fasteners [J].Aeronautic Standardization & Quality,2012(3):14-16.
查找原文
参考文献 3
王付胜,何鹏,郁佳琪,等.氩离子轰击对中频-直流磁控溅射铝薄膜耐蚀性能的影响[J].表面技术,2019,48(3):185-194.WANG Fusheng,HE Peng,YU Jiaqi,et al.Effects of argon ion bombardment on corrosion resistance of Al film deposited by medium frequency direct current magnetron sputtering [J].Surface Technology,2019,48(3):185-194.
查找原文
参考文献 4
陈亚军,黄彦,胡隆伟,等.中频-直流磁控溅射铝涂层微米压入特性及低温循环性能[J].中国表面工程,2017,30(1):83-92.CHEN Yajun,HUANG Yan,HU Longwei,et al.Micro-indentation and low-temperature cyclic properties of aluminum coating prepared by MF-DC Magnetron Sputtering[J].China Surface Engineering,2017,30(1):83-92.
查找原文
参考文献 5
ALEXEEV O K,FATEEV V N.Application of the magnetron sputtering for nanostructured electrocatalysts synthesis[J].International Journal of Hydrogen Energy,2016,41(5):3373-3386.
查找原文
参考文献 6
胡明,张立平,高晓明,等.Cr/Ag 纳米多层薄膜膜-基结合强度及摩擦学性能研究[J].摩擦学学报,2012,32(6):544-549.HU Ming,ZHANG Liping,GAO Xiaoming,et al.Adhesion strength and tribological properties of Cr/Ag nanoscaled multilayer films [J].Tribology,2012,32(6):544-549.
查找原文
参考文献 7
SHIMA K,SEDIGHEH B D,MOHAMMAD B A,et al.The effect of various oxidation temperatures on structure of Ag-TiO2 thin film[J].Microelectronic Engineering,2016,163:66-67.
查找原文
参考文献 8
LUNGU C P.Nanostructure influence on DLC-Ag tribological coatings [J].Surface & Coatings Technology,2005,200(1-4):198-202.
查找原文
参考文献 9
Military-fasteners.com.AS20624 Self-locking nut[M].New York:SPEC,2016.
查找原文
参考文献 10
《中国航空材料手册》 委员会.中国航空材料手册(第九卷)[M].北京:中国标准出版社,2002.Committee of " Chinese aviation material handbook ".Chinese aviation material handbook(volume nine)[M].Beijing:Standards Press of China,2002.
查找原文
参考文献 11
代红敏.镍凹版表面磁控溅射TiN膜层性能研究 [D].西安:西安理工大学,2007.DAI Hongmin.Study of magnetron sputtring TiN film used on nickel intaglio plate[D].Xi’an:Xi’an University of Technology,2007.
查找原文
参考文献 12
付广艳.机械工程材料[M].北京:机械工业出版社,2014.FU Guangyan.Mechanical engineering materials [ M].Beijing:China Machine Press,2014.
查找原文
参考文献 13
杜军,王红美,王鑫.划痕法结合强度临界载荷值的影响因素分析[J].表面技术,2015(9):134-139.DU Jun,WANG Hongmei,WANG Xin.Analysis of influencing factors on critical load of adhesion strength in scratch test [J].Surface Technology,2015(9):134-139.
查找原文
参考文献 14
BENJAMIN P,WEAVER C.Measurement of adhesion of thin films [J].Proceedings of the Royal Society of London,Mathematical Physical & Engineering Sciences,1960,254(1277):163-176.
查找原文
参考文献 15
MADY C E K,RODRIGUEZ S A,GOMEZ A G,et al.Effects of mechanical properties,residual stress and indenter tip geometry on instrumented indentation data in thin films[J].Surface & Coatings Technology,2010,205(5):1393-1397.
查找原文
参考文献 16
REN X R,HUANG Z,LIU M X,et al.Comparison of microstructure and tribological behaviors of CrAlN and CrN film deposited by DC magnetron sputtering [J].Rare Metal Materials and Engineering,2018,47(4):1100-1106.
查找原文
参考文献 17
CHANDRA-AMBHORN S,CHUMPANYA P.High temperature oxidation behavior of Ag-36.35 wt.% Zn and Ag-38.50 wt.% Zn-0.60 wt.% Al[J].Corrosion Science,2018,131:38-44.
查找原文
参考文献 18
孙魁平,支宪,马保瑞,等.镍基变形高温合金的氧化研究[J].物理测试,2009,27(4):19-22.SUN Kuiping,ZHI Xian,MA Baorui,et al.Study on oxidation behavior of Ni-base formable superalloy [J].Physical Testing,2009,27(4):19-22.
查找原文
参考文献 19
HUSSAIN N,SHAHID K A,KHAN I H,et al.Oxidation of high-temperature alloys(superalloys)at elevated temperatures in air[J].Oxidation of Metals,1994,41(3-4):251-269.
查找原文
参考文献 20
陈虎,杨卫英,唐兵华,等.电真空器件镍/银镀层的中温失效分析[J].电镀与涂饰,2014,33(24):1053-1055.CHEN Hu,YANG Weiying,TANG Binghua,et al.Moderate-temperature failure analysis of nickel/silver coatings on the surface of electron tube[J].Electroplating and Finishing,2014,33(24):1053-1055.
查找原文
目录contents

    摘要

    采用电镀与中频-直流磁控溅射技术分别在 Inconel 718 镍基高温合金基体表面制备银镀层。 使用维氏显微硬度计和微纳米划痕仪分别测量两种镀层在室温下、工况使用温度退火后、极限温度退火后的硬度与附着力;借助 SEM、EDS 观察测试镀层的微观形貌以及元素构成在不同保温处理后的变化。 结果表明,在室温 25 ℃ 下磁控溅射银镀层的显微硬度是 139. 7 HV, 其硬度与电镀银镀层相比增强 45. 5%;附着力为 40 N,是电镀法制得的 3 倍。 保温处理后由于中频-直流磁控溅射法制得的银镀层的单个晶粒平均尺寸更小且分布更均匀,镀层与基体间界面的氧化被更好地抑制。 相比传统电镀银镀层,400 ℃ 下磁控溅射银镀层硬度与结合性相比电镀银镀层有显著提高;但在 650 ℃下优势较小,24 h 后两种镀层都出现脱落。

    Abstract

    Silver coatings were prepared by medium frequency-direct current(MF-DC) magnetron sputtering and traditional electroplating on Inconel 718. The hardness and adhesion strength of the two coatings under different temperature conditions were measured by Vickers microhardness tester and micro-nano scratcher. The microstructures and elemental composition of the coatings were analyzed using SEM and EDS. Results show that the microhardness of the magnetron sputtered silver coating at 25 ℃ is 139. 7 HV, increasing by 45. 5% compared with the electroplated silver coating, and the adhesion strength is 40 N which is 2 times higher than electroplated silver coating. Due to the smaller average size of single crystal grains and more uniform distribution in the silver coating deposited by MFDC magnetron sputtering, the oxidation of the interface between the coating and the substrate is suppressed. Comparing to the electroplated silver coating, its hardness and adhesion strength at 400 ℃ are significantly improved. But after 24 hours at 650 ℃ , both coatings peel off.

  • 0 前言

  • 银镀层因其自润滑和耐高温的特点,常被应用于航空发动机的高温区[1]。在螺纹紧固件表面制备银镀层可以有效改善紧固件在高温环境下粘连的情况,避免无法拆卸的现象发生。目前在航空紧固件上所使用的银镀层绝大部分均采用电镀工艺制备,该工艺的缺点是存在污染,制备的镀层厚度均匀性较差、生产合格率低[2]。中频-直流磁控溅射技术是先使用高能量的中频磁控溅射,使镀层更加致密,提高附着力。再使用沉积效率更好、成本更低的直流磁控溅射进行进一步喷涂。该工艺为新兴的环保镀层制备方法,其工业应用前景十分广阔[3-5]。由于银是一种软金属,所以其作为镀层时,与大部分基体的结合强度均较低。镀层与基体的结合强度低会使其在实际的高温工况中更快地脱落失效,这也成为制约银镀层发展的重要缺点之一。国内胡明等[6] 使用磁控溅射工艺在9Cr18钢基体上制备了Cr/Ag镀层发现其在常温下与纯银镀层相比结合性得到了明显提高, Cr在其中起到粘结镀层与基体的作用。国外SHIMA等[7]通过电子束蒸发法先将钛沉积在石英和硅基板表面并退火制备成TiO2 薄膜,再使用直流磁控溅射法在二氧化钛薄膜表面沉积银镀层,观察发现热处理使TiO2 由非晶态转变为结晶态且随退火温度的提高镀层中两种晶粒的平均尺寸变大。 LUNGU等[8]采用电子回旋共振-直流混合溅射技术在铜板表面制备添加了类金刚石碳(DLC) 的纳米复合银薄膜,发现薄膜附着力提高,且随着类金刚石碳相的含量提高,在低滑动速度情况下摩擦系数随之降低。

  • 目前关于银镀层的研究主要针对不同添加物对镀层常温下性能的改进,对磁控溅射银镀层热处理后的硬度与结合力性能的试验研究较少。本文采用中频-直流磁控溅射镀层工艺与传统电镀法制备以镍基高温合金为基体的银镀层试样。结合实际使用环境,分别在室温下、极限温度退火后、工况使用温度退火后测量两种镀层试样的硬度与结合力,并根据镀层形貌、元素比例,分析造成性能差异的原因。

  • 1 试验准备

  • 1.1 基体材料及镀层制备

  • 镀层试样的基体材料选用Inconel718镍基高温合金(固溶态,执行标准:ASTM B637),线切割成30mm× 20mm × 1.5mm的矩形片, 并在一端挖 ø2mm的圆孔,便于制备镀层和试验时固定。材料化学成分见表1。镀层制备前使用真空回火炉消除基片内部残余应力,再经喷砂处理后进行碱洗除油和水洗,然后静置干燥。试验使用沈阳威利德公司制造的PVD12512真空镀膜机进行中频-直流磁控溅射银镀层的制备。将机器内部抽至真空度为0.001Pa后通入氩气,在150℃ 下进行20min等离子刻蚀和5min等离子刻蚀与柱弧,等离子刻蚀过程是将基体材料作为阴极,在电场作用下,将氩气电离为的氩气离子Ar +轰击基体表面,从而对基体表面的氧化物、污染物进行清洗。柱弧过程则是通过柱状电弧对靶的弧光放电进一步增大氩气等离子体的密度,从而提升对基体材料的清洗效果,并增大基体表面粗糙度,提高涂层的附着力。上述过程结束后,依次进行20min中频溅射镀膜与60min直流溅射镀膜,得到平均厚度为8.50 μm银镀层,制备参数见表2。电镀银镀层参考工程实际使用无氰镀银工艺,采用重庆立道公司LD-7805M电镀液,温度35~45℃,电流密度0.5A/dm 2,电镀40min,所得电镀镀层平均厚度为8.39 μm。

  • 表1 Inconel718镍基高温合金化学组分

  • Table1 Inconel718nickel-based superalloy composition(wt.%)

  • 表2 中频-直流磁控溅射镀银参数

  • Table2 IF-DC magnetron sputtering silver coating parameters

  • 1.2 热处理及性能测试

  • 热处理采用SX-G07103型箱式电炉。 AS20624型航空标准中设定650℃为镀银紧固件的极限使用温度[9],中国航空材料手册第九卷中规定银镀层的最高使用温度为400℃ [10]。参考上述标准,为探究银镀层在极限高温下的性能表现,本文选取650℃ 和400℃作为保温温度,分别进行1h、3h、6h、12h的保温处理。采用崧泽MMT-X显微维氏硬度仪测量银镀层的显微硬度,载荷为196N,时间为10s。使用Bruker UMT微纳米划痕仪测量结合力性能,划痕头材质为金刚石,试验参数见表3。采用Hitachi S-3400N扫描电子显微镜对磁控溅射银镀层和电镀银镀层的表面以及附着力试验中划痕的微观形貌进行观察,并使用AMETEK生产的Octane Prime型EDS能谱仪对试样特定位置进行元素定性的分析。

  • 表3 附着力测试参数

  • Table3 Adhesion test parameters

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 镀层微观形貌与结构成分

  • 常温下磁控溅射银镀层与电镀银镀层的表面微观形貌如图1所示,下文图中用MS表示磁控溅射方法( Magnetron sputtering),EP表示电镀方法(Electroplating)。由图1可以观察到,磁控溅射镀层表面呈细小颗粒状;电镀银镀层表面则出现的片状的镀层堆积,片状边缘存在缝隙。由于使用磁控溅射方法时镀层粒子在磁场的作用下绕射性、空间弥散性较好,从而更均匀地沉积在基体表面[11]。而在电镀银镀层制备过程中,镀层晶体因其层状生长方式从而造成片状堆积结构,微缝隙则是由于实际电镀过程中考虑生产效率而选取的电流较大所致。

  • 磁控溅射银镀层与电镀银镀层在400℃ 和650℃保温1h和12h后表面的微观形貌如图2所示。与常温下的镀层形貌对比可以发现随着保温时间的增加,两种镀层的晶粒都逐渐合并增大。图2a和2b可以观察到400℃ 保温初期镀层表面仍比较均匀,但电镀银镀层片状表面出现孔洞与微小缝隙。 12h后两者镀层表面微观形貌如图2c、2d所示,电镀银镀层晶粒进一步合并长大、晶界大量减少,表面的微孔逐渐变大并最终连通成较深的裂纹,而磁控溅射镀层表面可以观察到直径更大的球状晶粒。图2e和2f为磁控溅射银镀层与电镀银镀层在650℃ 保温1h后表面的微观形貌图片。该温度下镀层晶粒更快地融合变大,磁控溅射镀层的晶粒出现更多晶棱。 12h后如图2g和2h所示两种镀层形貌趋同,磁控溅射银镀层晶粒尺寸只稍小于电镀银镀层。

  • 图1 两种镀层的微观形貌

  • Fig.1 Micro morphology of the two coatings

  • 2.2 镀层的硬度性能研究

  • 在常温下磁控溅射银镀层的显微维氏硬度为139.7HV,电镀银镀层的显微硬度为96.0HV,采用磁控溅射方法制备的银镀层相较于电镀方法,硬度增长了45.5%。经过400℃和650℃下不同保温后硬度变化的曲线如图3所示。由图3a可以发现,在400℃下两种镀层的硬度变化曲线都呈现先降低后逐渐平稳的特点,但磁控溅射镀层曲线上各个点均高于电镀镀层。经过第一小时后,电镀镀层的硬度降低至47.5HV,比常温硬度下降50.5%;而磁控溅射银镀层的硬度相比常温下仅降低了5.6%。经过48h的保温处理后磁控溅射银镀层和的电镀银镀层的退火硬度趋于稳定,分别为114.8HV和37.2HV,前者约是后者硬度的三倍。由扫描电镜观察到磁控溅射银镀层晶粒变大但大部分晶界仍然存在,对位错的运动产生阻碍[12],因此长时间置于在400℃ 的环境中硬度仍能得到较好的保持, 而电镀银镀层的硬度性能会出现大幅衰减,发生明显软化。

  • 图2 两种银镀层在不同保温温度和时间后的表面微观形貌

  • Fig.2 Micro morphology of the two coatings after different heat treatment

  • 两种镀层在650℃下进行保温处理得到的退火硬度变化曲线如图3b所示,可以发现两种镀层的硬度变化趋势与400℃ 下类似,但在硬度减弱更为严重。 650℃处理的第一个小时,磁控溅射银镀层的硬度下降到99.3HV,下降幅度为29%;且在保温的6~12h磁控溅射银镀层的硬度再次出现大幅下降, 12h后的硬度为53.2HV,与电镀银镀层相比优势缩小。与镀层微观形貌变化趋势一致,说明晶粒合并变大使得硬度测量时位错运动受到的阻力变小是银镀层热处理后硬度下降的主要原因。

  • 由上述试验结果可知,对工况温度低于400℃ 的紧固件,采用磁控溅射法可以大幅提高银镀层的硬度,从而降低磨损、提高镀层的可靠性与寿命。但如果工况温度高于650℃,磁控溅射法对于银镀层硬度的改善较小。

  • 2.3 镀层的界面结合性能研究

  • 2.3.1 常温镀层附着力分析

  • 磁控溅射银镀层与电镀银镀层在常温下进行结合力试验的划痕形貌如图4所示。在划痕试验过程中当划针尖端划破镀层时,摩擦力 Fx 曲线、声发射信号AE曲线均会出现突变。镀层的附着力即为此时的法向加载力 Fz [13-15]。

  • 图3 银镀层不同保温时间后的退火硬度

  • Fig.3 Micro hardness of silver coatings after different heat treatment

  • 图4 两种镀层表面的划痕形貌

  • Fig.4 Scratch morphology of the two coating surfaces

  • 图4 中两种镀层上的划痕可分成三个主要阶段。其中初始阶段两个划痕均为不连续的齿状形貌。这是因为在划痕的初始部分划针所受到的法向载荷较小,划针尖端压入镀层的深度较浅,且镀层的表面不完全光滑,导致划针与镀层表面的接触并不连贯稳定,针尖反复抬起压入[3]。由于磁控溅射银镀层的硬度更高且表面呈颗粒状分布,所以其划痕初始不稳定阶段比电镀镀层更长。第二阶段为稳定划动阶段,在该阶段随着法向力的不断增加,划针在镀层上的压入深度也随之增加,划痕随之变宽,直至划穿镀层与基体接触。磁控溅射银镀层在该阶段的长度更长说明磁控溅射镀层更不容易被划破。从镀层被划破至划痕结束为最后的划破阶段,两种镀层在稳定划动阶段与划破阶段的形貌特点基本一致, 划痕及划痕周围都未出现镀层裂纹,由此可知划动能量均被镀层以塑性变形的方式吸收[16]。

  • 图5 为两种银镀层在室温25℃ 下测得的附着力曲线。如图5a所示,磁控溅射银镀层的声信号(AE)与摩擦力(Fx)变化曲线在划痕到3.2mm时发生突变,磁控溅射银镀层的附着力即为此时的法向加载40N。如图5b所示,当电镀银镀层划痕到1.4mm时,Fx 和AE曲线都开始出现不稳定的波动,从而可以确定其附着力为13N。室温下磁控溅射银镀层的附着力有明显优势。

  • 图5 两种镀层的附着力曲线

  • Fig.5 Adhesion curve of two coatings

  • 2.3.2 温度对镀层附着力的影响

  • 对经过200℃、400℃保温3h的磁控溅射银镀层和电镀银镀层进行划痕测试,其附着力曲线如图6所示。从图6a、 6b中可以发现, 经过200℃、 400℃下处理3小时后的磁控溅射银镀层曲线的突变点分别出现在划痕的2.5mm和2.6mm位置,其附着力分别为32N、27N,与常温下磁控溅射镀层附着力40N相比分别出现20%和32.5%的下降。对于电镀银镀层,因为在第2.2节中已经观察到电镀银镀层热处理后硬度下降更为明显,所以将初始的法向加载减小到1N。通过图6c、6d可以看出,经过200℃、400℃ 保温3h后的电镀银镀层的附着力分别是3.7N和3.3N。经过热处理后的电镀银镀层在划痕的初始阶段,横向摩擦力曲线和摩擦系数曲线都存在轻微震荡,这是因为初始的法向力较小,镀层表面本身凹凸不平且经过高温处理后粗糙度进一步增大,所以划针无法与镀层稳定接触。两种镀层经过200℃、400℃ 下保温3h后附着力均出现下降,但磁控溅射银镀层明显优于电镀银镀层。

  • 图6 两种镀层在不同工况温度下保温3h后的附着力

  • Fig.6 Adhesion of the two coatings after 3h of insulation at different temperatures

  • 2.4 热处理后基体与银镀层的界面成分分析

  • 对磁控溅射银镀层和电镀银镀层分别进行更长时间的保温处理,发现两种镀层在400℃ 下保温48h后表面基本完整,而在650℃下保温24h后发生明显的脱落失效。经过24h、650℃ 保温处理的磁控溅射银镀层与电镀银镀层划痕如图7所示。分别选取两个镀层划痕的内部与外侧,对图7中A、B、 C、D四个位置进行EDS能谱测量从而分析保温处理后镀层与基体间界面的元素组成。如图8a所示, A点同时存在铁、镍、铬等基体元素与镀层元素银, 说明此处为基体与镀层的界面,其中氧元素表明在界面处发生氧化。而划痕周围未脱落银镀层表面B点只检测到银元素,说明在镀层的表面并未发生氧化。对图7b中C、D位置的测量结果如图8c、8d所示,可以发现在电镀银镀层中氧元素也只被发现于镀层与基体界面的位置,且图8c与图8a对比可以看出电镀银镀层界面处的氧元素峰更高更窄,说明其氧化程度高于磁控溅射银镀层。

  • 上述试验结果表明,在650℃ 的保温处理后两种银镀层的表面都没有稳定的镀层氧化物。因为银对氧的吸附势能大于脱附势能[17],所以银镀层会对氧气有传递作用。银镀层的氧化失效正是因为氧气在传递作用下通过热处理后银镀层表面出现的裂缝和孔隙,抵达界面处与基体在高温环境下发生氧化反应,生成NiCr2O4、Cr2O4 等基体氧化物[18-19],如图9氧化机理图所示。当银镀层与基体间的界面发生氧化时,镀层附着力会发生明显下降[20]。由于基体镍基合金与银镀层的热膨胀系数不同,650℃ 时镀层与基体之间的拉应力更大。而随着界面处基体不断被氧化,结合力下降,最终导致24h后磁控溅射银镀层和电镀银镀层均发生脱落失效。

  • 图7 两种镀层划痕形貌

  • Fig.7 Scratche morphologies of two coatings

  • 图8 两种镀层划痕EDS谱

  • Fig.8 EDS spectrum of two coating scratches

  • 图9 镀银镍基合金的氧化机理

  • Fig.9 Oxidation mechanism of nickel-based alloy with silver coating

  • 3 结论

  • (1) 磁控溅射银镀层表面呈现细小颗粒状分布,相比电镀层厚度更加均匀。常温下磁控溅射银镀层的显微硬度为139.7HV,比电镀高出45.5%。磁控溅射银镀层的附着力为40N,是电镀银镀层的3倍。

  • (2) 400℃、650℃ 下的退火硬度测试表明,两种镀层的晶粒尺寸变大,镀层均发生软化。 400℃ 下磁控溅射银镀层的退火硬度可以得到较好的保持,48h后仍为114.8HV,相比电镀银镀层有显著优势。 650℃下磁控溅射银镀层在前6h内硬度明显高于电镀银镀层。但12h后优势消失,硬度与电镀银镀层相近,仅为53.2HV。

  • (3) 保温处理后磁控溅射银镀层和电镀银镀层的因界面被氧化而附着力下降。其中磁控溅射银镀层的分布更加均匀从而抑制界面氧化,使得经过热处理后其附着力仍大幅优于电镀银镀层。两种镀层在400℃下保温48h后表面均较为完整;在650℃ 下保温处理24h后会发生脱落失效。

  • 参考文献

    • [1] 何鹏飞,王海斗,马国政,等.含银硬质涂层高温摩擦学性能的研究进展[J].中国有色金属学报,2015,25(11):2962-2974.HE Pengfei,WANG Haidou,MA Guozheng,et al.Research progress of high-temperature tribological properties of silver-containing hard coatings[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2015,25(11):2962-2974.

    • [2] 隋明丽,张辉.发动机高温合金紧固件高温粘结研究[J].航空标准化与质量,2012(3):14-16.SUI Mingli,ZHANG Hui.Research on high temperature bonding of engine superalloy fasteners [J].Aeronautic Standardization & Quality,2012(3):14-16.

    • [3] 王付胜,何鹏,郁佳琪,等.氩离子轰击对中频-直流磁控溅射铝薄膜耐蚀性能的影响[J].表面技术,2019,48(3):185-194.WANG Fusheng,HE Peng,YU Jiaqi,et al.Effects of argon ion bombardment on corrosion resistance of Al film deposited by medium frequency direct current magnetron sputtering [J].Surface Technology,2019,48(3):185-194.

    • [4] 陈亚军,黄彦,胡隆伟,等.中频-直流磁控溅射铝涂层微米压入特性及低温循环性能[J].中国表面工程,2017,30(1):83-92.CHEN Yajun,HUANG Yan,HU Longwei,et al.Micro-indentation and low-temperature cyclic properties of aluminum coating prepared by MF-DC Magnetron Sputtering[J].China Surface Engineering,2017,30(1):83-92.

    • [5] ALEXEEV O K,FATEEV V N.Application of the magnetron sputtering for nanostructured electrocatalysts synthesis[J].International Journal of Hydrogen Energy,2016,41(5):3373-3386.

    • [6] 胡明,张立平,高晓明,等.Cr/Ag 纳米多层薄膜膜-基结合强度及摩擦学性能研究[J].摩擦学学报,2012,32(6):544-549.HU Ming,ZHANG Liping,GAO Xiaoming,et al.Adhesion strength and tribological properties of Cr/Ag nanoscaled multilayer films [J].Tribology,2012,32(6):544-549.

    • [7] SHIMA K,SEDIGHEH B D,MOHAMMAD B A,et al.The effect of various oxidation temperatures on structure of Ag-TiO2 thin film[J].Microelectronic Engineering,2016,163:66-67.

    • [8] LUNGU C P.Nanostructure influence on DLC-Ag tribological coatings [J].Surface & Coatings Technology,2005,200(1-4):198-202.

    • [9] Military-fasteners.com.AS20624 Self-locking nut[M].New York:SPEC,2016.

    • [10] 《中国航空材料手册》 委员会.中国航空材料手册(第九卷)[M].北京:中国标准出版社,2002.Committee of " Chinese aviation material handbook ".Chinese aviation material handbook(volume nine)[M].Beijing:Standards Press of China,2002.

    • [11] 代红敏.镍凹版表面磁控溅射TiN膜层性能研究 [D].西安:西安理工大学,2007.DAI Hongmin.Study of magnetron sputtring TiN film used on nickel intaglio plate[D].Xi’an:Xi’an University of Technology,2007.

    • [12] 付广艳.机械工程材料[M].北京:机械工业出版社,2014.FU Guangyan.Mechanical engineering materials [ M].Beijing:China Machine Press,2014.

    • [13] 杜军,王红美,王鑫.划痕法结合强度临界载荷值的影响因素分析[J].表面技术,2015(9):134-139.DU Jun,WANG Hongmei,WANG Xin.Analysis of influencing factors on critical load of adhesion strength in scratch test [J].Surface Technology,2015(9):134-139.

    • [14] BENJAMIN P,WEAVER C.Measurement of adhesion of thin films [J].Proceedings of the Royal Society of London,Mathematical Physical & Engineering Sciences,1960,254(1277):163-176.

    • [15] MADY C E K,RODRIGUEZ S A,GOMEZ A G,et al.Effects of mechanical properties,residual stress and indenter tip geometry on instrumented indentation data in thin films[J].Surface & Coatings Technology,2010,205(5):1393-1397.

    • [16] REN X R,HUANG Z,LIU M X,et al.Comparison of microstructure and tribological behaviors of CrAlN and CrN film deposited by DC magnetron sputtering [J].Rare Metal Materials and Engineering,2018,47(4):1100-1106.

    • [17] CHANDRA-AMBHORN S,CHUMPANYA P.High temperature oxidation behavior of Ag-36.35 wt.% Zn and Ag-38.50 wt.% Zn-0.60 wt.% Al[J].Corrosion Science,2018,131:38-44.

    • [18] 孙魁平,支宪,马保瑞,等.镍基变形高温合金的氧化研究[J].物理测试,2009,27(4):19-22.SUN Kuiping,ZHI Xian,MA Baorui,et al.Study on oxidation behavior of Ni-base formable superalloy [J].Physical Testing,2009,27(4):19-22.

    • [19] HUSSAIN N,SHAHID K A,KHAN I H,et al.Oxidation of high-temperature alloys(superalloys)at elevated temperatures in air[J].Oxidation of Metals,1994,41(3-4):251-269.

    • [20] 陈虎,杨卫英,唐兵华,等.电真空器件镍/银镀层的中温失效分析[J].电镀与涂饰,2014,33(24):1053-1055.CHEN Hu,YANG Weiying,TANG Binghua,et al.Moderate-temperature failure analysis of nickel/silver coatings on the surface of electron tube[J].Electroplating and Finishing,2014,33(24):1053-1055.

  • 基本信息

    中图分类号: TG174
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20201224001

    基金信息

    中国民航大学专项资助项目(3122019177)；
    Special Fund of Civil Aviation Universities of China (3122019177).；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2020-12-24

  • 参考文献

    • [1] 何鹏飞,王海斗,马国政,等.含银硬质涂层高温摩擦学性能的研究进展[J].中国有色金属学报,2015,25(11):2962-2974.HE Pengfei,WANG Haidou,MA Guozheng,et al.Research progress of high-temperature tribological properties of silver-containing hard coatings[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2015,25(11):2962-2974.

    • [2] 隋明丽,张辉.发动机高温合金紧固件高温粘结研究[J].航空标准化与质量,2012(3):14-16.SUI Mingli,ZHANG Hui.Research on high temperature bonding of engine superalloy fasteners [J].Aeronautic Standardization & Quality,2012(3):14-16.

    • [3] 王付胜,何鹏,郁佳琪,等.氩离子轰击对中频-直流磁控溅射铝薄膜耐蚀性能的影响[J].表面技术,2019,48(3):185-194.WANG Fusheng,HE Peng,YU Jiaqi,et al.Effects of argon ion bombardment on corrosion resistance of Al film deposited by medium frequency direct current magnetron sputtering [J].Surface Technology,2019,48(3):185-194.

    • [4] 陈亚军,黄彦,胡隆伟,等.中频-直流磁控溅射铝涂层微米压入特性及低温循环性能[J].中国表面工程,2017,30(1):83-92.CHEN Yajun,HUANG Yan,HU Longwei,et al.Micro-indentation and low-temperature cyclic properties of aluminum coating prepared by MF-DC Magnetron Sputtering[J].China Surface Engineering,2017,30(1):83-92.

    • [5] ALEXEEV O K,FATEEV V N.Application of the magnetron sputtering for nanostructured electrocatalysts synthesis[J].International Journal of Hydrogen Energy,2016,41(5):3373-3386.

    • [6] 胡明,张立平,高晓明,等.Cr/Ag 纳米多层薄膜膜-基结合强度及摩擦学性能研究[J].摩擦学学报,2012,32(6):544-549.HU Ming,ZHANG Liping,GAO Xiaoming,et al.Adhesion strength and tribological properties of Cr/Ag nanoscaled multilayer films [J].Tribology,2012,32(6):544-549.

    • [7] SHIMA K,SEDIGHEH B D,MOHAMMAD B A,et al.The effect of various oxidation temperatures on structure of Ag-TiO2 thin film[J].Microelectronic Engineering,2016,163:66-67.

    • [8] LUNGU C P.Nanostructure influence on DLC-Ag tribological coatings [J].Surface & Coatings Technology,2005,200(1-4):198-202.

    • [9] Military-fasteners.com.AS20624 Self-locking nut[M].New York:SPEC,2016.

    • [10] 《中国航空材料手册》 委员会.中国航空材料手册(第九卷)[M].北京:中国标准出版社,2002.Committee of " Chinese aviation material handbook ".Chinese aviation material handbook(volume nine)[M].Beijing:Standards Press of China,2002.

    • [11] 代红敏.镍凹版表面磁控溅射TiN膜层性能研究 [D].西安:西安理工大学,2007.DAI Hongmin.Study of magnetron sputtring TiN film used on nickel intaglio plate[D].Xi’an:Xi’an University of Technology,2007.

    • [12] 付广艳.机械工程材料[M].北京:机械工业出版社,2014.FU Guangyan.Mechanical engineering materials [ M].Beijing:China Machine Press,2014.

    • [13] 杜军,王红美,王鑫.划痕法结合强度临界载荷值的影响因素分析[J].表面技术,2015(9):134-139.DU Jun,WANG Hongmei,WANG Xin.Analysis of influencing factors on critical load of adhesion strength in scratch test [J].Surface Technology,2015(9):134-139.

    • [14] BENJAMIN P,WEAVER C.Measurement of adhesion of thin films [J].Proceedings of the Royal Society of London,Mathematical Physical & Engineering Sciences,1960,254(1277):163-176.

    • [15] MADY C E K,RODRIGUEZ S A,GOMEZ A G,et al.Effects of mechanical properties,residual stress and indenter tip geometry on instrumented indentation data in thin films[J].Surface & Coatings Technology,2010,205(5):1393-1397.

    • [16] REN X R,HUANG Z,LIU M X,et al.Comparison of microstructure and tribological behaviors of CrAlN and CrN film deposited by DC magnetron sputtering [J].Rare Metal Materials and Engineering,2018,47(4):1100-1106.

    • [17] CHANDRA-AMBHORN S,CHUMPANYA P.High temperature oxidation behavior of Ag-36.35 wt.% Zn and Ag-38.50 wt.% Zn-0.60 wt.% Al[J].Corrosion Science,2018,131:38-44.

    • [18] 孙魁平,支宪,马保瑞,等.镍基变形高温合金的氧化研究[J].物理测试,2009,27(4):19-22.SUN Kuiping,ZHI Xian,MA Baorui,et al.Study on oxidation behavior of Ni-base formable superalloy [J].Physical Testing,2009,27(4):19-22.

    • [19] HUSSAIN N,SHAHID K A,KHAN I H,et al.Oxidation of high-temperature alloys(superalloys)at elevated temperatures in air[J].Oxidation of Metals,1994,41(3-4):251-269.

    • [20] 陈虎,杨卫英,唐兵华,等.电真空器件镍/银镀层的中温失效分析[J].电镀与涂饰,2014,33(24):1053-1055.CHEN Hu,YANG Weiying,TANG Binghua,et al.Moderate-temperature failure analysis of nickel/silver coatings on the surface of electron tube[J].Electroplating and Finishing,2014,33(24):1053-1055.

    • 手机扫一扫看