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冲蚀磨损作为航空航天、能源、动力等工业领域材料破坏的重要原因之一,引起人们的广泛关注。为了获得良好的抗冲蚀性能,研究人员开始在工件表面制备涂层。TiN涂层作为曾使用最广泛的抗冲蚀涂层,能够有效的保护工件表面,从而提高工件使用寿命。近年来,随着工业的进步,TiN涂层已被具有高硬度、耐磨损、抗氧化性和自润滑等优良性能的TiAlN涂层逐渐替代。同时为了进一步提高TiAlN涂层的综合性能,研究者开始添加Si、Cr、C等元素形成纳米复合涂层,探究加入元素对TiAlN基涂层性能的提升作用。目前对TiAlN基涂层冲蚀磨损性能研究较少,因此,本文着重研究了添加Si、Cr元素后对TiAlN基涂层的冲蚀磨损性能的影响。本文采用电弧离子镀技术分别在不锈钢SUS321、钛合金TC4和硬质合金YT15三种材料上制备了 TiAlN、TiAlSiN和TiAlCrSiN涂层。用扫描电镜(SEM)分析冲蚀实验前后涂层与基体的表面、断面微观形貌;用能谱分析仪(EDS)分析涂层的组成成分;用X射线衍射仪(XRD)分析涂层物相组成和晶粒尺寸;用光学轮廓仪检测涂层表面粗糙度;用纳米压痕仪和材料表面性能测试仪测量试样的力学性能和涂层基体的结合力;用冲蚀试验机在角度为90°和45°、速度为85 m/s的SiC粒子冲蚀条件下对涂层进行冲蚀磨损试验;用ImageJ软件对涂层进行冲蚀破损面积的检测,进而计算涂层冲蚀磨损速率。本文主要研究结果如下:1.涂层性能:Si元素和Cr元素加入会细化晶粒,(200)晶粒尺寸排序为TiAlN>TiAlSiN>TiAlCrSiN。涂层粗糙度随涂层表面的颗粒数增多而增加,涂层-基体结合力和涂层硬度随涂层晶粒减小而增大。涂层粗糙度、硬度和涂层-基体结合力排序为TiAlCrSiN>TiAlSiN>TiAlN。基体材料的硬度影响涂层与基体的结合力,同一种涂层的结合力大小按基体材料为YT15>SUS321>TC4。2.涂层冲蚀磨损性能:在90°冲击条件下,TC4基体和YT15基体上TiAlN基涂层冲蚀磨损速率排序为TiAlN>TiAlSiN>TiAlCrSiN,SUS321基体上的TiAlN基涂层冲蚀磨损速率排序为TiAlSiN>TiAlN>TiAlCrSiN;影响涂层冲蚀速率的主要因素为涂层硬度H、H3/E2、涂层-基体结合力,随这些参数值的提高,冲蚀磨损率显著降低。基体也影响了涂层的冲蚀速率,TiAlN涂层的冲蚀速率大小,按基体材料排序为YT15>SUS321>TC4,TiAlSiN涂层冲蚀速率,按基体材料排序为SUS321>TC4>YT15,TiAlCrSiN涂层冲蚀速率几乎为零;涂层冲蚀速率随基体与涂层性能差值增加而增大。3.涂层冲蚀磨损机理:在90°冲击条件下,除了 YT15基体上的TiAlSiN涂层,其它三种基体上的TiAlN涂层和TiAlSiN涂层主要破坏方式为裂纹扩展导致的脆性剥落,其中TiAlN涂层为块状剥落,TiAlSiN涂层为分层剥落。但冲蚀初期涂层形貌略有不同,涂层裂纹产生和扩展的速度受基体影响,较硬的基体上其裂纹产生较慢。YT15基体上的TiAlSiN涂层和三种基体上的TiAlCrSiN涂层抗冲蚀性能极好,都未发生大面积剥落,冲蚀机理为微切削、塑性和脆性疲劳断裂。4.在45°冲击条件下,TC4基体上TiAlN涂层和TiAlSiN涂层除了冲蚀初期增加了切削痕,其冲蚀机理并未发生改变,而冲蚀速率发生了变化,相对于90°冲蚀速率,TiAlN涂层和TiAlSiN涂层45°冲蚀速率几乎降低了一半。