Wpływ powierzchniowych warstw azotku tytanu wytwarzanych metodami PVD na właściwości użytkowe stopów aluminium

Transkrypt

1 MICHAŁ TACIKOWSKI, MAREK BETIUK, ANDRZEJ CZYŻNIEWSKI, SEBASTIAN GRONEK, PRZEMYSŁAW KOBUS, JAN SENATORSKI, JERZY SMOLIK, TADEUSZ WIERZCHOŃ Wpływ powierzchniowych warstw azotku tytanu wytwarzanych metodami PVD na właściwości użytkowe stopów aluminium WPROWADZENIE Mała gęstość i inne korzystne własności oraz relatywnie przystępna cena sprawiły, że stopy aluminium pod względem wykorzystania we współczesnej technice są drugą po stalach i żeliwach grupą tworzyw metalicznych stosowaną w różnorodnych obszarach. Barierą dla jeszcze szerszego ich wykorzystania są własności powierzchniowe, w tym w zwłaszcza niska twardość i odporność na zużycie przez tarcie. Dlatego szczególna rola w uzyskaniu własności użytkowych umożliwiających stosowanie stopów aluminium w warunkach zwiększonych narażeń tribologicznych przypada inżynierii powierzchni. Biorąc pod uwagę zachęcające doświadczenia własne dotyczące zwiększania własności użytkowych stopów magnezu za pomocą powierzchniowych warstw azotków [1, 2], można sądzić, że wytwarzanie metodami PVD powierzchniowych warstw azotków, zwłaszcza azotków tytanu, jest jednym z potencjalnie skutecznych rozwiązań również w odniesieniu do stopów aluminium. Analiza nielicznych źródeł literaturowych dotyczących tego zagadnienia [3 6] wykazuje, że jest ono słabo rozpoznane, zwłaszcza w aspekcie wpływu warstw azotków na własności korozyjne stopów aluminium. Ze względu na katodowy w porównaniu z aluminium charakter tych warstw i ich zdefektowanie wynikające z specyfiki metod PVD wpływ wytwarzanych warstw może nie być korzystny. Istotnym z punku widzenia dopuszczalnych obciążeń mechanicznych aspektem wydaje się również kwestia wpływu procesów wytwarzania powierzchniowych warstw azotków metodami PVD na własności mechaniczne, w tym twardość, podłoży ze stopów aluminium. Własności mechaniczne ze względu na podwyższoną temperaturę występującą w procesach osadzania metodami typu PVD w efekcie aktywowanych cieplnie procesów takich jak zdrowienie, rekrystalizacja i przestarzenie mogą ulegać niekorzystnym zmianom. W pracy podjęto badania wpływu powierzchniowych warstw azotku tytanu TiN na twardość, odporność tribologiczną i korozyjną wybranych stopów aluminium do utwardzania wydzieleniowego z grupy durali. Badaniom poddano dwa warianty warstw powierzchniowych proste warstwy azotku tytanu na podwarstwie tytanu typu TiN-Ti oraz złożone kompozytowe warstwy azotku tytanu na podwarstwie tytanu i aluminium typu TiN-Ti-Al. Celem niniejszej pracy było zweryfikowanie możliwości adaptacji do stopów aluminium, opracowanego w wcześniejszych pracach dotyczących magnezu, rozwiązania hybrydowego łączącego wytworzenie na stopie warstwy typu TiN-Ti-Al z jej końcowym uszczelnianiem przez obróbkę hydrotermiczną [2]. Dr inż. Michał Tacikowski (mtacik@inmat.pw.edu.pl), inż. Sebastian Gronek, inż. Przemysław Kobus, prof. dr hab. inż. Tadeusz Wierzchoń Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska, dr inż. Marek Betiuk, prof. dr hab. inż. Jan Senatorski Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa, prof. dr hab. inż. Andrzej Czyżniewski Instytut Mechatroniki Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Politechnika Koszalińska, prof. dr hab. inż. Jerzy Smolik Instytut Technologii Eksploatacji, Radom METODYKA BADAŃ Do badań użyto następujące materiały: dwa stopy aluminium z grupy durali w stanie walcowanym w postaci blach o grubości 6 8 mm stosowany w lotnictwie stop typu PA7 (4% Cu, 2% Mg, 0,9% Mn), oraz stop typu PA29 (2% Cu, 1,5% Mg, 1% Si, Ni, Fe) używany w lotnictwie do pracy w podwyższonej temperaturze. Na stopach tych wytwarzano powierzchniowe warstwy azotku tytanu. Badano wpływ dwóch rodzajów warstw powierzchniowych na właściwości użytkowe stopów aluminium (tab. 1): warstw azotku tytanu na podwarstwie tytanu typu TiN-Ti w wariancie powłoki i warstwy dyfuzyjnej otrzymanej przez obróbkę cieplną powłoki TiN-Ti, warstwy kompozytowej azotku tytanu na pośredniej powłoce tytanu i aluminium typu TiN-Ti-Al. W pierwszym, rozpoznawczym etapie pracy badano wpływ powłok azotku typu TiN-Ti (TiN4Ti1) na własności użytkowe stopu aluminium typu PA29 w zakresie twardości, odporności na zużycie przez tarcie i korozję. Powłoki wytwarzano metodą odparowania w łuku (tab. 2). W ramach pierwszego etapu pracy badano też możliwości i efekty utwardzającej obróbki cieplnej (tab. 1), składającej się z przesycania (520 C/1 h) w wodzie i starzenia (120 C/10 h) stopu PA29 uprzednio pokrytego powłoką TiN-Ti, skutkującej wytworzeniem warstwy dyfuzyjnej (TiN4Ti1_OC). W drugim etapie pracy optymalizowano mikrostrukturę i własności powierzchniowych warstw azotku tytanu pod kątem odpowiedzialnych zastosowań w warunkach jednoczesnych narażeń tribologicznych i korozyjnych, np. w konstrukcjach lotniczych. W tym celu zastosowano rozwiązanie opracowane we wcześniejszych pracach dotyczących zwiększania własności użytkowych stopów magnezu [2], polegające na wytworzeniu w procesie hybrydowym uszczelnionej powłoki kompozytowej azotku tytanu na pośredniej powłoce tytanu i aluminium typu TiN-Ti-Al (TiN2Ti1Al10). Nominalne grubości powłok składowych tworzących tę warstwę podano w tabeli 2. Obok wprowadzenia do mikrostruktury powłoki azotku tytanu pośredniej powłoki aluminium, w rozwiązaniu tym istotne dla uzyskania oczekiwanych własności powłoki kompozytowej było zmodyfikowanie, zgodnie z przesłankami wynikającymi z prac dotyczących stopów magnezu, sposobu wytwarzania powłoki TiN2Ti1Al10 w kierunku Tabela 1. Badane warianty powierzchniowych warstw azotku tytanu Table 1. Investigated variants of titanium nitride layers Wariant warstwy Powłoka składowa, µm Oznaczenie metoda wytwarzania TiN Ti Al TiN-Ti odparowanie w łuku TiN4Ti1 4 1 TiN-Ti odparowanie w łuku+oc 1 TiN4Ti1_OC 4 1 TiN-Ti-Al TiN2Ti1Al10 rozpylanie TiN2Ti1Al10_U 2 magnetronowe OC 1 obróbka cieplna: przesycanie (520 C/1 h) i starzenie (120 C/10 h) U 2 uszczelnianie metoda hydrotermiczną Nr 5/2014 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 411

2 osadzenia wszystkich jej powłok składowych wyłącznie metodą rozpylania magnetronowego w jednym urządzeniu, w procesie ciągłym oraz końcowe uszczelnianie powłoki metodą hydrotermiczną [2]. Celem takiej modyfikacji procesu osadzania było ograniczenie liczby defektów struktury powłok, zwłaszcza tzw. kropli, typowych dla metody odparowania w łuku. Natomiast zadaniem obróbki hydrotermicznej było zabudowanie nieszczelności powłoki towarzyszących defektom, których całkowita eliminacja nawet w procesie rozpylania magnetronowego nie jest fizycznie możliwa. Badano mikrostrukturę warstw oraz ich właściwości, takie jak wardość, przyczepność w próbie zarysowania, odporność na zużycie przez tarcie, odporność korozyjna. W badaniach strukturalnych wykorzystano mikroskopię świetlną i skaningową mikroskopię elektronową (SEM) połączoną z badaniami składu chemicznego (EDS). Wykonano badania składu fazowego metodą analizy rentgenowskiej (XRD). Odporność na zużycie przez tarcie określano zmodyfikowaną metodą Amsler typu rolka-klocek (PN- 82/H-04332) w układzie krążek (ø35 mm) z ulepszonej cieplnie stali 45-próbka płaska, w zakresie obciążeń do 50 N, przy szybkości obrotowej przeciwpróbki 200 obr/min i czasie badania 1 godz., z zastosowaniem jako środka smarującego oleju LUX-10. Odporność korozyjną badano metodą potencjodynamiczną w 0,5 M roztworze NaCl za pomocą urządzenia AUTOLAB PGSTAT 100, stosując kalomelową elektrodę odniesienia. Wyniki badań odporności korozyjnej i tribologicznej oceniano w odniesieniu do efektów utleniania anodowego stopów aluminium (ANOD). warstwy powierzchniowej azotku tytanu TiN4Ti1 jest szczególnie niekorzystna ze względu na możliwość wystąpienia tzw. efektu kry lodowej ograniczającego zdolność układu warstwa-podłoże do przenoszenia nacisków (w tym także narażeń tribologicznych). W konsekwencji poddano stop PA29 z uprzednio naniesioną powłoką azotku tytanu utwardzaniu wydzieleniowemu. Krytyczne dla powodzenia obróbki cieplnej było utrzymanie przyczepności powłoki do podłoża w trakcie obróbki, zwłaszcza podczas zabiegu a) WYNIKI BADAŃ Morfologia powierzchni i mikrostruktura warstw Powłoki azotku tytanu wytworzone stopach aluminium typu PA7 i PA29 metodami typu PVD dla obu wariantów badanych warstw powierzchniowych, tj. warstwy TiN4Ti1 i warstwy kompozytowej TiN2Ti1Al10, niezależnie od zastosowanej metody osadzania powłok składowych (odpowiednio odparowania w łuku i rozpylania magnetronowego), charakteryzowały się złotą barwą, jednorodnym wyglądem i brakiem makroskopowych defektów w postaci złuszczeń, pęknięć, odwarstwień od podłoża i pęcherzy. Morfologię powierzchni i mikrostrukturę wytworzonych warstw powierzchniowych pokazano na rysunkach 1 i 2. Powierzchniowe warstwy azotku tytanu typu TiN-Ti Powłoka azotku tytanu typu TiN4Ti1 wytworzona na stopie aluminium PA29 metodą odparowania w łuku wykazywała typową dla tej metody morfologię powierzchni, charakteryzującą się obecnością specyficznych defektów w postaci zainkrustowanych w powłoce kropel oraz kraterów zagłębień powstałych najprawdopodobniej w wyniku oddzielenia kropel od powłoki (rys. 1a). Defekty tego typu są potencjalnym źródłem nieszczelności powłoki. Mikrostrukturę powłoki pokazano na rysunku 2b. Ma budowę dwustrefową, na którą składają się zewnętrzna strefa azotku tytanu koloru złotego o potwierdzonej rentgenowsko stechiometrii typu TiN i o grubości ok. 4 µm oraz pośredniej, cienkiej powłoki tytanu koloru szarego. Grubość powłoki jest równomierna. Powłoka dobrze przylega do podłoża, nie wykazuje rozwarstwień pomiędzy powłokami składowymi, widoczne są natomiast lokalnie defekty w postaci kropel i kraterów. Pomiary twardości podłoża w stanie wyjściowym i z powłoką azotku tytanu wykazały, że zgodnie z przypuszczeniem, nanoszeniu powłoki azotku TiN4Ti1 metodą odparowania w łuku na stop PA29 towarzyszy zmniejszenie twardości stopu do 76 HV0,05, co stanowi ponad połowę wartości wyjściowej, wynoszącej ok. 170 HV0,05 (tab. 3). Mała twardość stopu, a zatem podatność na odkształcenia, w skojarzeniu z relatywnie bardzo dużą twardością b) Rys. 1. Morfologia powierzchni powłok azotku tytanu: a) powłoka TiN4Ti1, b) powłoka kompozytowa TiN2Ti1Al10 Fig 1. Surface morphology of titanium nitride coatings: a) TiN4Ti1 coating, b) TiN2Ti1Al10 composite coating a) b) Rys. 2. Mikrostruktura powłok azotku tytanu: a) powłoka TiN4Ti1, b) powłoka kompozytowa TiN2Ti1Al10 Fig. 2. Microstructure of titanium nitride coatings: a) TiN4Ti1 coating, b) TiN2Ti1Al10 composite coating 412 INŻ YNIERIA MATERIAŁ O W A ROK XXXV

3 przesycania w wodzie, w sytuacji występującej relatywnie dużej różnicy współczynników rozszerzalności cieplnej stopu aluminium i azotku tytanu. Przeprowadzone próby utwardzającej obróbki cieplnej składające się z przesycania w wodzie i starzenia wykazały, że nie powoduje ona makroskopowych zmian wyglądu powłoki, jej złuszczania, pęknięć, ani lokalnych odwarstwień od podłoża i pomiędzy powłokami składowymi. Skutkuje ona przekształceniem powłoki w warstwę dyfuzyjną (TiN4Ti1_OC). Analiza składu chemicznego tej strefy (EDS) potwierdza dyfuzję aluminium z podłoża do pośredniej powłoki tytanu, w której występuje ono w stężeniu ok. 25% at., co wykazuje na tworzenie się w strefie dyfuzyjnej fazy międzymetalicznej typu Ti 3 Al, najprawdopodobniej jednak na tyle słabo skrystalizowanej, że nie jest ona identyfikowalna za pomocą XRD. Dyfuzyjne połączenie powłoki z podłożem ma kluczowe znaczenie dla utrzymania przyczepności powłoki do podłoża w trakcie krytycznego dla powodzenia obróbki cieplnej zabiegu przesycania w wodzie. Powierzchniowe warstwy azotku tytanu typu TiN-Ti-Al Kompozytowa powłoka azotku tytanu typu TiN2Ti1Al10 (rys. 1b) wytworzona na stopie PA7 metodą rozpylania magnetronowego wykazywała odmienną morfologię powierzchni niż powłoka TiN4Ti1 wytworzona metodą odparowania w łuku. Charakteryzowała się mniejszym zdeformowaniem wynikającym z wyeliminowania, kropel typowych dla metody odparowania w łuku. W powłoce TiN2Ti1Al10 sporadycznie obserwowano natomiast innego rodzaju defekty w postaci lokalnych, dość płytkich rozpadlin, ograniczonych zasięgiem w głąb powłoki kompozytowej, najprawdopodobniej jedynie do zewnętrznej powłoki azotku tytanu. Potencjalnie negatywne oddziaływanie tych defektów na odporność korozyjną jest ograniczone, pod warunkiem, że położone pod powłoką azotku pośrednie powłoki tytanu i aluminium są szczelne. Mikrostrukturę powłoki TiN2Ti1Al10 pokazano na rysunku 2b. Jak widać defekty powłoki generowane są wadami w podłożu. Powłoka wykazuje równomierną grubość, dobre przyleganie do podłoża i bark rozwarstwień pomiędzy powłokami składowymi. Własności warstw na stopach aluminium Przyczepność warstw Wyniki oceny przyczepności badanych warstw powierzchniowych w próbie zarysowania zestawiono w tabeli 2. Analizując te wyniki należy odnotować bardzo małą przyczepność powłoki azotku tytanu TiN4Ti1 i kilkakrotny wzrost jej przyczepności uzyskany za pomocą obróbki cieplnej (TiN4Ti1_OC), spowodowany dyfuzyjnym połączeniem warstwy z podłożem. W efekcie dyfuzyjna warstwa powierzchniowa TiN4Ti1_OC wykazuje przyczepność największą spośród trzech badanych warstw. Kompozytową powłokę azotku tytanu TiN2Ti1Al10 cechuje przyczepność co najmniej dwukrotnie większa niż powłoki TiN4Ti1, ale nieco mniej niż połowę mniejsza w porównaniu z warstwą TiN4Ti1_OC. Niepublikowane wyniki wcześniejszych badań własnych stanowią podstawę do postawienia tezy, że w trakcie nanoszenia powłoki kompozytowej pomiędzy pośrednią powłoką aluminium a podłożem również może dochodzić do procesów dyfuzyjnych skutkujących dyfuzyjnym połączeniem z podłożem, co tłumaczyłby znacznie większą przyczepność. Twardość warstw Wyniki pomiarów twardości powierzchniowej HV0.05 różnych wariantów podłoży ze stopów aluminium i wytworzonych na nich warstw powierzchniowych przedstawiono w tabeli 3. Tabela 2. Wartości obciążeń krytycznych warstw w próbie rysy Table 2. Investigated layers critical loads values in scratch test Wariant warstwy Lc 1, N Lc 2, N Lc 3, N TiN4Ti1 2,2 6,2 6,9 TiN4Ti1_OC 12,8 20,4 21,7 TiN2Ti1Al10 7,7 12,1 Tabela 3. Twardość powierzchniowa HV0,05 różnych wariantów stopów PA29 i PA7 bez i z warstwą azotku tytanu Table 3. Surface hardness HV0.05 of layers variants of PA29 and PA7 without and with the titanium nitride layers Lp Badany wariant Twardość HV PA29 stop w stanie wyjściowym PA29 stop po procesie nakładania warstwy 76 2 TiN4Ti1 stop PA29 z warstwą TiN-Ti PA29 stop po utwardzaniu wydzieleniowym TiN4Ti1_OC stop PA29 z warstwą TiN-Ti po OC PA7 stop w stanie wyjściowym PA7 stop po procesie nakładania warstwy 89 8 TiN2Ti1Al10 stop PA7 z warstwą TiN-Ti-Al 334 Wpływ każdej z badanych warstw powierzchniowych azotku tytanu na twardość powierzchniową podłoży ze stopów aluminium jest znacząco odmienny. Wytworzenie na stopie PA29 powłoki azotku tytanu typu TiN4T1 skutkuje zmniejszeniem twardości, co może być z pozoru zaskakujące, zważywszy na relatywnie bardzo dużą twardość azotku tytanu typu TiN, ok HV. Wynik ten staje się zrozumiały, gdy porówna się twardość stopu PA29 w stanie wyjściowym, którym był stan po przeróbce plastycznej, ze stanem po osadzeniu powłoki TiN4Ti1. Osadzenie powłoki azotku tytanu wywołuje spadek twardości podłoża o połowę. Jest to wynikiem procesów zdrowienia i rekrystalizacji oraz przestarzenia stopu w przypadku, jeśli stop był utwardzany wydzieleniowo. Ponadto wynika z podwyższenia temperatury podłoża trakcie procesu osadzania warstwy metodą odparowania w łuku. Obróbka cieplna składająca się z przesycania i starzenia utwardza podłoże do ok. 115 HV0,05, co w efekcie skutkuje zwiększeniem twardości powierzchniowej do ok. 830 HV0,05 tj. o prawie rząd wielkości (tab. 3). Obok utwardzenia podłoża na tak znaczny wzrost twardości najprawdopodobniej wpływa również tworzenie się strefy dyfuzyjnej pomiędzy strefą azotków a podłożem, zbudowanej z fazy międzymetalicznej typu Ti 3 Al. Warstwa typu TiN2Ti1Al10 zwiększa twardość powierzchniową stopu PA7 prawie czterokrotnie, bez konieczności stosowania końcowej utwardzającej obróbki cieplnej, niezbędnej w przypadku stopu PA29. Jest to związane z odmiennym zachowaniem tych stopów podczas nanoszenia powłok. Jak wykazują pomiary twardości (tab. 3), stop PA7 w trakcie nanoszenia powłoki azotku tytanu podczas rozpylania magnetronowego ze względu na relatywnie niską temperaturę podłoża (ok. 120 C), w znacznie mniejszym stopniu niż stop PA29 w procesie nanoszenia powłoki azotku metodą odparowania w łuku tarci pierwotne własności. Odporność na zużycie przez tarcie Wytworzenie na stopach aluminium warstw powierzchniowych azotku tytanu powoduje zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie o ok. rząd wielkości, w tym w odniesieniu do efektów utleniania anodowego (ANOD), przy czym wartości końcowego zużycia poszczególnych wariantów są zbliżone (rys. 3). Występujące pomiędzy nimi nieznaczne różnice odporności na zużycie nie korelują z twardością powierzchniową, a raczej z twardością podłoża. Odporność jest tym mniejsza im większa jest twardość podłoża. Można przypuszczać, że taka tendencja ma Nr 5/2014 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 413

4 związek z zależną od twardości podatnością układu stop z warstwą TiN-przeciwpróbka na dopasowanie w węźle ciernym. Wydaje się, że z punku widzenia odporności tribologicznej za najkorzystniejszy wariant należałoby uznać warstwę TiN4Ti_OC, która ze względu na dyfuzyjne połączenie z podłożem, a w konsekwencji znacznie większą niż dla pozostałych warstw powierzchniowych przyczepność (tab. 2), charakteryzuje się najprawdopodobniej najwyższą spośród badanych wariantów zdolnością do przenoszenia obciążeń bez złuszczania warstwy w warunkach narażeń na zużycie przez tarcie. Odporność na korozję Wyniki badań korozyjnych (rys. 4) potwierdzają przypuszczenie, że z punktu widzenia odporności korozyjnej wytworzenie na stopie aluminium PA29 powłoki azotku tytanu nie jest korzystne. Wskazuje na to prawie niezmieniony, a wręcz nieco mniejszy w porównaniu z wartością, jaka cechuje stop PA29 w stanie wyjściowym, potencjał korozyjny stopu z powłoką azotku tytanu TiN4Ti1. Wynika to z niezadowalającej szczelności powłoki azotku, uwarunkowanej nieuniknioną obecnością typowych defektów strukturalnych w postaci kropel i kraterów (rys. 1, 2). Korozja stopu z powłoką, będącego przewodnikiem prądu elektrycznego, azotku tytanu, ze względu na katodowy względem stopu aluminium charakter powłoki, a w konsekwencji tworzenie się ogniw korozyjnych, jest korozją przyśpieszoną typu galwanicznego, skutkującą tworzeniem się kilku do kilkunastu relatywnie głębo- Rys. 3. Odporność na zużycie przez tarcie różnych wariantów stopów PA29 i PA7 bez i z warstwą azotku tytanu oraz po anodyzowaniu Fig. 3. Wear resistance of different layers variants of PA29 and PA7 without and with the titanium nitride layers and after anodizing Rys. 4. Krzywe polaryzacyjne różnych wariantów stopów PA29 i PA7 bez i z warstwą azotku tytanu oraz po anodyzowaniu Fig. 4. Polarization curves of different layers variants of PA29 and PA7 without and with the titanium nitride layers and after anodizing kich wżerów. Niewielkie zwiększenie odporności korozyjnej uzyskuje się przez obniżenie aktywności chemicznej jakie powoduje obróbka cieplna stopu PA29 z powłoką azotku tytanu. Obróbka cieplna przekształca powłokę w warstwę dyfuzyjnie połączoną z podłożem (TiN4Ti1_OC), dla której potencjał korozyjny przesuwa się w kierunku wartości dodatnich o ΔE kor = 40 mv. Obserwowana poprawa odporności korozyjnej jest wynikiem uszczelnienia strefy azotku od strony podłoża przez strefę dyfuzyjną typu Ti 3 Al. Efekt wytworzenia na stopie PA29 dyfuzyjnej warstwy azotku tytanu jest jeszcze relatywnie odległy od wyników utleniania anodowego (ANOD), które skutkuje przesunięciem potencjału korozyjnego ΔE kor = 160 mv i dość szerokim zakresem w miarę stabilnych zachowań korozyjnych w obszarze anodowym krzywej polaryzacyjnej (rys. 4). W konsekwencji podjęto uzyskania najkorzystniejszej struktury i własności powierzchniowych warstw azotku tytanu, której istotą jest wytworzenie w ciągłym procesie rozpylania magnetronowego kompozytową uszczelnioną, powierzchniową powłoką kompozytową azotku tytanu na pośredniej powłoce tytanu i aluminium TiN2Ti1Al10 uszczelnionej przez końcową obróbkę hydrotermiczną (TiN2Ti1Al10_U). Efekty wytworzenia warstwy TiN2Ti1Al10 pokazuje rysunek 4. Widać wprowadzenie uszczelniającej, pośredniej powłoki, w skojarzeniu z ciągłym przebiegiem procesu nanoszenia warstwy za pomocą rozpylania magnetronowego zaowocowało radykalną poprawą odporności korozyjnej, przejawiającą się przesunięciem potencjału korozyjnego w porównując z wartością, jaką uzyskuje się wyniku utleniania anodowego o ΔE kor = 440 mv. Daje to wysoki poziom odporności korozyjnej porównywalny z odpornością stali kwasoodpornych. Obróbka hydrotermiczna powłoki kompozytowej (TiN2Ti1Al10_U) skutkuje dalszą poprawą odporności korozyjnej, przejawiającą się przesunięciem potencjału korozyjnego do wartości dodatnich E kor = 115 mv i pojawieniem się na krzywej polaryzacyjnej zakresu pasywnego z potencjałem przebicia wynoszącym E p = 1050 mv. Wynik ten dowodzi, że opracowane w toku wcześniejszych badań dotyczących stopów magnezu [2] rozwiązanie, polegające na wytworzeniu na obrabianym podłożu kompozytowej warstwy azotku tytanu na podwarstwie tytanu i aluminium typu TiN-Ti-Al w procesie hybrydowym z końcowym uszczelnianiem metodą hydrotermiczną, jest rozwiązaniem bardziej uniwersalnym, skutecznym również w odniesieniu do stopów aluminium. Otrzymane wyniki wskazują jednocześnie na korzystne efekty zastosowanej modyfikacji sposobu wytwarzania warstwy w ciągłym procesie rozpylania magnetronowego, z wyeliminowaniem wcześniej wykorzystywanego osadzania zewnętrznej powłoki azotku tytanu metodą odparowania w łuku. WNIOSKI 1. Wytworzenie metodą odparowania w łuku powłoki azotku tytanu TiN-Ti na stopie aluminium PA29, zwiększając odporność na zużycie przez tarcie o ok. rząd wielkości w próbie typu Amsler w zakresie obciążeń do 50 N, skutkuje jednocześnie brakiem poprawy, a nawet pewnym pogorszeniem odporności korozyjnej do oraz obniżeniem o połowę twardości podłoża. Mała odporność korozyjna stopu z powłoką azotku tytanu jest wynikiem jej niezadowalającej szczelności zdeterminowanej obecnością w powłoce typowych defektów w postaci kropel i kraterów. Zmniejszenie twardości podłoża jest spowodowane działaniem podwyższonej temperatury, występującej w procesie nanoszenia powłoki azotku tytanu metodą odparowania w łuku, umożliwiającej aktywację procesów zdrowienia, rekrystalizacji i przestarzenia stopu PA Badana na stopie aluminium typu PA7 modyfikacja struktury i sposobu wytwarzania powłoki azotku tytanu TiN-Ti polegająca na naniesieniu w ciągłym procesie rozpylania magnetronowego powłoki azotku na pośredniej, uszczelniającej pow- 414 INŻ YNIERIA MATERIAŁ O W A ROK XXXV

5 łoce aluminium typu TiN-Ti-Al znacząco zwiększa odporność korozyjną stopu zwłaszcza po końcowym uszczelnianiu powłoki metodą hydrotermiczną,. Potencjał korozyjny ulega przesunięciu do wartości dodatnich (E kor = 115 mv), czemu towarzyszy pojawienie się dość szerokiego, stabilnego zakresu pasywnego usytuowanego od ok. 180 do 1030 mv z potencjałem przebicia E p = 1050 mv. 3. Obróbka cieplna stopu aluminium PA29 z powłoką azotku tytanu TiN-Ti złożona z przesycania w wodzie i starzenia skutkuje dyfuzyjnym połączeniem powłoki z podłożem za pośrednictwem strefy dyfuzyjnej Ti 3 Al. Dzięki temu przyczepność powłoki do podłoża kilkukrotnie wzrasta na tyle, że powłoka w trakcie przesycania w wodzie nie ulega złuszczeniu. Jednocześnie obróbka umożliwia skuteczne utwardzenie podłoża, a w konsekwencji kilkakrotne zwiększenie twardości powierzchniowej stopu z warstwą TIN-Ti, do ok.830 HV0,05. Odporność na zużycie przez tarcie pozostaje na zbliżonym, aczkolwiek nieco niższym poziomie. Odporność korozyjna natomiast nieznacznie wzrasta (ΔE kor = 40 mv). LITERATURA [1] Tacikowski M., Smolik J., Kamiński J., Betiuk M., Wątła A., Wierzchoń T.: Wpływ warstw powierzchniowych azotku tytanu na odporność korozyjną stopu magnezu AZ91D. Inżynieria Materiałowa 5 (2013) [2] Tacikowski M., Banaszek M., Smolik J.: Corrosion-resistant composite titanium nitride layers produced on the AZ91D magnesium alloy by a hybrid method. Vacuum (2014) [3] Lugscheider E., Krämer G., Barimani C., Zimmermann H.: PVD coatings on aluminum substrates. Surface & Coatings Technology (1995) [4] Picas J. A., Forn A., Baile M. T., Martin E.: Substrate effect on the mechanical and tribological properties of arc plasma physical vapour deposition coatings. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 23 (2005) [5] Youming L., Liuhe L., Ming X., Qiulong C., Yawei H., Xun C., Paul K. C.: The effect of N + -implanted aluminum substrate on the mechanical properties of TiN films. Surface & Coatings Technology 200 (2006) [6] Ashrafizadeh F.: Plasma-assisted surface treatment of aluminum alloys to combat wear. Surface engineering of light alloys. Woodhead Publishing Limited, Oxford (2010) Nr 5/2014 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 415