海洋环境下氮化物涂层耐冲蚀耐腐蚀性能研究

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氮化物涂层作为一种硬质保护涂层在航空航天、机械制造、模具工业、纺织工业、汽车工业等诸多工业领域有着广泛的应用。金属氮化物涂层的高强度、高硬度、耐高温等优点使其在耐冲蚀耐腐蚀能力等方面具有突出优势,在压气机叶片的保护涂层方面拥有巨大潜力。本研究在利用多弧离子镀技术在Ti6Al4V钛合金表面沉积了CrN、CrAlN、CrAlN/CrN多层涂层,研究了涂层在30°和90°下的冲蚀行为和500℃下制备态和冲蚀态涂层热腐蚀行为。主要研究结果如下:(1)对CrN、CrAlN、CrAlN/CrN多层涂层冲蚀行为进行研究。通过30°和90°气固冲蚀实验发现,相比于基底,氮化物涂层的耐冲蚀性能至少提高5.1倍。其中,CrAlN/CrN涂层的耐冲蚀性能最好,提高了11倍。采用纳米压痕表征氮化物涂层的硬度和弹性模量,以及微悬臂梁测试断裂韧性。结果发现,在引入Al元素和多层结构后,CrAlN/CrN多层涂层的硬度和断裂韧性均有提高,分别达到了25.8±1.5 GPa和10.3±0.2 MPa·m1/2。分析氮化物涂层的冲蚀行为发现,多层涂层中的界面可以有效地阻止裂纹的扩展,从而提高涂层的耐腐蚀性。本文发现涂层的耐冲蚀性与硬度和断裂韧性呈正相关关系。尤其是断裂韧性对氮化物涂层的耐冲蚀性能更加重要。因此,具有高硬度和高断裂韧性CrAlN/CrN多层涂层表现出最好的耐冲蚀性。(2)对CrN、CrAlN、CrAlN/CrN多层涂层的热腐蚀和冲蚀-热腐蚀行为进行研究。绘制了制备态涂层的氧化增重和腐蚀增重曲线。利用SEM、TEM、EDS、XRD和拉曼光谱等表征手段分析了涂层的氧化产物和腐蚀产物。分析了冲蚀对涂层高温氧化和热腐蚀的影响。Al元素的引入,使得CrAlN涂层的耐高温氧化和耐热腐蚀能力显著增强。CrAlN氧化增重和腐蚀增重分别仅为0.003 mg·cm-2和0.009mg·cm-2,具有良好的耐热腐蚀性能。热腐蚀过程中,Cr容易扩散和氧化,导致CrAlN涂层表面生成AlN相。AlN层能够抵挡O2和腐蚀介质的扩散。CrAlN/CrN多层涂层的多层结构没有继续在高温氧化中起到积极作用。CrAlN/CrN多层结构发生了选择性腐蚀,CrN层被优先腐蚀,而CrAlN层保持完整,这是因为两个亚层之间存在原电池效应,加速了涂层的腐蚀。比较了冲蚀对涂层的高温氧化和热腐蚀的影响,冲蚀对热腐蚀不管是耐腐蚀性较好的CrAlN,还是CrN、CrAlN/CrN多层涂层都有明显的协同作用。
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