【摘 要】
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气门是发动机上的重要零部件,与气门座圈组成密闭空间来保护缸盖,其性能直接影响发动机的效率以及寿命。近年来,由于发动机气门的耐磨性差,抗氧化能力低,导致气门的表面磨损严重,进而影响气门的密合性,降低气门的密封性能,造成燃油的浪费和功率不足,间接导致燃油消耗增加,发动机效率降低,影响车辆的经济性,而且因气门失效导致的发动机故障逐年递增,因此提高发动机气门抗氧化能力和耐磨性十分必要。本文采用离子渗氮（P
【基金项目】
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陕西省高校“发动机关键部件材料研发及应用”创新团队； 陕西省科技厅重点研发项目（2022GY404）； 山东省科技厅面上自然基金项目（ZR2021ME041）；
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气门是发动机上的重要零部件,与气门座圈组成密闭空间来保护缸盖,其性能直接影响发动机的效率以及寿命。近年来,由于发动机气门的耐磨性差,抗氧化能力低,导致气门的表面磨损严重,进而影响气门的密合性,降低气门的密封性能,造成燃油的浪费和功率不足,间接导致燃油消耗增加,发动机效率降低,影响车辆的经济性,而且因气门失效导致的发动机故障逐年递增,因此提高发动机气门抗氧化能力和耐磨性十分必要。本文采用离子渗氮（PN）技术和多弧离子镀膜（MAIP）技术在TC4气门材料表面制备复合镀层,并对其组织、力学性能、摩擦性能以及氧化性能进行研究。本文采用SEM、XRD、白光干涉仪对镀层的微观组织形貌、物相组成以及三维形貌进行检测与分析;采用维氏硬度仪、摩擦磨损试验机、附着力自动划痕仪对镀层表面硬度、摩擦系数以及膜基结合力进行测定;采用高温氧化炉进行高温氧化试验。结果表明:（1）采用不同渗氮温度对TC4进行离子渗氮处理。离子渗氮后TC4表面生成渗氮层和扩散层,渗氮层主要由Ti N和Ti2N组成。当渗氮温度在870～950℃时,随着渗氮温度的升高,渗氮层厚度先减小后增大,扩散层先增大后减小;渗氮层表面硬度先增大后减小,表面粗糙度和摩擦系数先减小后增大。渗氮温度为910℃时,渗氮层表面组织均匀致密,表面粗糙度最小为0.465μm,渗氮层硬度最高为1215.8HV,摩擦系数最小为0.5,其磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。氧化温度从600℃-800℃氧化120h后渗氮层表面逐渐出现裂纹以及脱落现象,氧化产物为Ti O2;平均氧化速率最低为0.277g·m-2·h-1,TC4经氮化处理后在600℃-700℃属于抗氧化,在800℃属于弱抗氧化。（2）采用多弧离子镀膜技术通过控制N2流量在TC4表面制备Cr Ti Al N镀层,镀层表面主要以Cr N相组成。当氮气流量在45sccm～90sccm时,随着氮气流量的升高,镀层表面组织均匀致密,镀层与基体结合处光滑平整;硬度增大,表面粗糙度和摩擦系数先减小后增大,镀层与基体的结合强度先增大后减小。氮气流量为75sccm时,表面粗糙度最低为0.219μm,膜层厚度为4.4μm,镀层与基体界面光滑平整,结合力最高为64N,摩擦系数最低为0.4,磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损;氧化温度在600℃-800℃氧化120h后镀层逐渐产生少量裂纹直到温度上升至800℃出现脱落现象,氧化产物为Al2O3、Cr2O3和Ti O2,平均氧化速率最低为0.018g·m-2·h-1,Cr Ti Al N镀层在600℃属于完全抗氧化,在700℃属于抗氧化,在800℃属于次抗氧化。（3）对TC4先进行离子渗氮处理然后通过控制偏压在表面制备Cr Ti Al N镀层,对离子渗氮后的试样表面进行辉光清洗。当负偏压在-600V～-900V时,增大偏压会细化试样表面晶粒和增大表面粗糙度,有利于增大镀层与基体的结合强度,但偏压在-900V时会对试样表面造成缺陷;镀层主要以Cr N相组成,峰位发生了偏移,Ti、Al元素代替Cr N晶格中的部分Cr元素,形成以Cr N相为主的面心立方结构;随着负偏压的升高,镀层表面硬度和结合强度先增大后减小,表面粗糙度和摩擦系数先减小后增大。负偏压为-800V时,镀层的表面粗糙度最低为0.377μm,硬度最高为1637HV,结合力最高为72N,摩擦系数最小为0.35,磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损;600℃-800℃氧化120h后,镀层未出现裂纹、脱落等现象,氧化产物为Al2O3、Cr2O3和Ti O2,平均氧化速率最低为0.012g·m-2·h-1,复合镀层在600℃和700℃属于完全抗氧化,在800℃属于抗氧化。（4）采用离子渗氮技术和多弧离子镀膜技术在TC4表面制备复合镀层,当渗氮温度为910℃,多弧离子镀膜氮气流量为75sccm,负偏压为-800V时,显著提高TC4表面硬度、耐磨性和高温抗氧化性。
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