TA19合金表面TiAlN硬质膜的制备及摩擦磨损行为研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:buffon149
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钛合金具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点,已经广泛应用于飞机结构材料中,用于制造航空发动机风扇、压气机轮盘、叶片等重要飞机结构件。TA19合金密度低,是一种高Al当量的近α型中强度钛合金,特别适合于制造各种焊接零部件,是高温应用的理想材料。但TA19合金的耐磨性能较差,限制了其应用,为解决这一问题,本文拟采用反应磁控溅射技术改善TA19合金表面的耐磨性。本课题通过反应磁控溅射技术,在TA19合金表面制备TiAlN硬质薄膜。首先设计正交试验,分析溅射功率、工作气压、Ar/N2流量比和工作时间四个工艺参数对TiAlN薄膜性能的影响,得出最佳工艺参数。然后观察分析最佳工艺参数下制备的TiAlN薄膜的组织结构和力学性能,采用SEM、EDS及XRD分析薄膜的表面及截面形貌、成分分布和相结构,测试薄膜的显微硬度、粗糙度和结合力大小。最后进行球-盘磨损试验,探究载荷、速度和温度三个因素对TA19合金和TiAlN薄膜的摩擦磨损性能的影响。试验结果表明:(1)反应磁控溅射制备TiAlN薄膜的最佳工艺参数为:溅射功率250W,工作气压0.8Pa,氩氮流量比30:40,工作时间3h。(2)最佳工艺参数下制备的TiAlN薄膜表面致密均匀、无孔洞,厚度约为3.6μm;XRD衍射结果表明薄膜的主要物相组成是TiAlN相和TiN相;TiAlN薄膜的平均显微硬度值达到1208.2HV0.1,较基体相比提高了近3倍;TiAlN薄膜的粗糙度为7.68nm,降低了基体的表面粗糙度;TiAlN薄膜和基体的结合强度达到53.3N。(3)球-盘磨损试验结果表明,在TA19合金基体上磁控溅射TiAlN薄膜后,摩擦系数与TA19基体相比有了明显的降低,TiAlN薄膜的磨损速度和比磨损率与TA19基体相比分别降低了一个数量级。在330g高载荷下,TiAlN薄膜出现破裂,部分区域剥落。当滑动速度由低速变为高速时,TiAlN薄膜的磨损形式由轻微的磨粒磨损转化为磨损较多的磨粒磨损和氧化磨损。500℃高温条件下,薄膜表面发生氧化磨损,生成不太致密的氧化层,但对基体仍然具有保护作用。
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