离子注入对TC4钛合金TiN/Ti涂层结合力和抗砂尘冲蚀性能的影响

目的通过离子注入提高TiN/Ti涂层的结合力和抗冲蚀性能。方法先采用金属蒸气真空弧(MEVVA)离子源在TC4基体上分别注入四种离子(Mo、Ti、Nb、Co),再用磁过滤真空阴极弧(FCVA)技术制备TiN/Ti涂层。采用非球面测量仪、AFM、XRD和纳米压痕仪,对四种离子注入的TC4基体表面粗糙度、表面形貌、物相结构、纳米硬度和弹性模量进行表征,采用划痕仪测量涂层的结合力,采用涂层冲蚀考核平台对不同试样进行砂尘冲蚀性能试验。结果经过Mo、Ti、Nb离子注入的TiN/Ti涂层的结合力和抗冲蚀性能都有提高,其中Mo离子注入的TiN/Ti涂层的结合力达71 N、耐冲蚀时间为80 min,与未离子注入涂层相比,分别增加31.5%和77.8%,而平均冲蚀率降低39.5%,仅为0.0078mg/g。Co离子注入的TiN/Ti涂层的结合力仅为40 N,平均冲蚀率增大了19.0%,达0.0433 mg/g,其抗砂尘冲蚀性能明显下降。结论离子注入涂层的抗砂尘冲蚀性能与结合力密切相关,随着结合力的增大,TiN/Ti涂层的平均冲蚀率减小,其耐冲蚀时间增加,选择合适的离子注入可提高TiN/Ti涂层的抗冲蚀性能。     

钛合金基体上AlCrN涂层的冲蚀磨损行为研究

目的研究钛合金基体表面的Al CrN涂层在固体粒子冲蚀条件下的磨损性能和材料去除机制。方法采用阴极电弧离子镀物理气相沉积技术在钛合金基体表面制备AlCrN硬质涂层。利用扫描电镜(SEM)分析冲蚀试验前后试样表面的微观形貌;利用能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析涂层的化学成分和物相组成;利用白光干涉轮廓仪检测试样表面粗糙度和冲蚀试验后试样表面的冲蚀坑深度;利用纳米压痕仪和多功能材料表面性能测试仪测量试样的显微硬度、弹性模量和涂层与基体的结合力;利用冲蚀试验机考察高角度冲蚀条件下试样的抗冲蚀磨损性能。结果抛光后的钛合金表面光滑,没有明显缺陷,硬度为4.29 GPa,弹性模量为141.02 Gpa。Al Cr N涂层厚度约为10.5μm,表面有大量尺寸不一的球形颗粒和圆形凹坑等生长缺陷,硬度为23.27GPa,弹性模量为264.95GPa,XRD图谱表明AlCrN涂层中主要存在AlN相和Cr N相。在冲蚀角度90°、粒子冲击速度85 m/s和冲蚀粒子供给速率(2±0.5) g/min的条件下,Al CrN涂层的冲蚀坑深度仅为钛合金基体的1/10。通过冲蚀表面微观形貌观察与分析发现,钛合金基体表面的冲蚀磨损特征主要有冲击凹坑、挤压唇和微切削痕,Al Cr N涂层表面的冲蚀磨损特征主要有微切削痕、大颗粒塑性变形和剥落坑。结论钛合金的冲蚀磨损行为为典型的塑性材料冲蚀磨损机制。AlCrN涂层在冲蚀早期为塑性材料冲蚀磨损机制,随着冲蚀的进行,既有塑性材料冲蚀磨损机制,又有脆性材料冲蚀磨损机制。     

TC4钛合金表面TiAlN/Ti涂层的抗冲蚀性能研究

目的 通过明晰TC4钛合金表面不同结构的TiAlN/Ti涂层的冲蚀机制,为提高TC4钛合金的抗冲蚀性能、制备具有良好冲蚀性能的涂层奠定基础.方法 采用磁过滤真空阴极弧(FCVA)与金属蒸汽真空弧(MEVVA)技术,按照一定方式在TC4钛合金表面制备相同厚度不同层数的TiAlN/Ti涂层,采用扫描电镜(SEM)、光学显微镜、纳米压痕仪,对TiAlN/Ti涂层的微观结构和力学性能进行表征和分析.采用冲蚀试验平台,通过参数的调整来模拟沙尘环境,开展TC4钛合金和TiAlN/Ti涂层的冲蚀试验,计算获得冲蚀率.采用Proto-LXRD应力仪测试分析冲蚀前后TiAlN/Ti涂层的残余应力,利用SEM对涂层的冲蚀形貌进行表征和分析,并探讨涂层冲蚀损伤机理.结果 相比于TC4基体试样,层数为4、8、12层的TiAlN/Ti涂层试件冲蚀后的质量损失分别降低了86.9％、91.3％和94.0％,残余压应力分别增加了34、135、203 MPa.对比冲蚀区表面形貌,当涂层的层数为4层时,冲蚀区涂层脱落明显;当涂层层数为8层时,冲蚀区涂层局部有脱落;当涂层层数为12层时,冲蚀区涂层脱落不明显,对基体的防护较好.结论 MEVVA离子源注入技术显著提高了涂层的致密度和涂层与基体间的结合力.TiAlN/Ti涂层能显著改善试样的表面性能.相同涂层厚度下TiAlN/Ti涂层的层数越多,H3/E2值越大,抗冲蚀性能越优异.     

不同热处理TiN/Ti多层涂层冲蚀损伤特征与机理

目的 通过研究分析不同热处理TiN/Ti多层涂层在冲蚀作用下的损伤特征,揭示不同热处理TiN/Ti多层涂层冲蚀损伤的机理。方法 采用磁过滤阴极真空弧沉积技术在TC4钛合金表面制备 TiN/Ti多层涂层,利用热处理炉对试样进行不同的热处理(300 ℃/40 min,空冷;400 ℃/40 min,空冷;300 ℃/40 min,空冷+300 ℃/40 min, 空冷),采用划痕仪、显微硬度计、扫描电镜、能谱仪等设备对热处理试样涂层的结合力、显微硬度、涂层损伤形貌特征、元素分布等进行表征,并在冲蚀试验平台上通过砂尘冲蚀性能试验(速度130 m/s,角度45°)进行验证。结果 TiN/Ti多层涂层在低温(≤400 ℃)下经短时间热处理后,涂层的物相未发生变化,仍以 TiN(111)、TiN(200)、TiN(220)和TiN(311)为主,涂层结构完整,最外层的TiN涂层没有发生氧化现象,涂层结合力基本未发生改变,显微硬度略有下降,由2 764.1HV分别降至2 748.9HV、2 493.2HV、2 255.2HV。TiN/Ti多层涂层的抗冲蚀性能变化不大,冲蚀速率由0.117 mg/min分别变为0.100、0.156、0.120 mg/min。结论 低温(≤400 ℃)短时热处理对TiN/Ti多层涂层冲蚀性能的影响不大,冲蚀损伤机理为环形裂纹引起分层剥落的脆性剥落。     

激光冲击强化前处理对TiN/Ti涂层/基体疲劳性能的影响

采用磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面沉积抗冲蚀多层梯度TiN/Ti涂层,沉积前对基体进行激光冲击强化前处理。采用原子力显微镜、纳米压痕和划痕仪表征了试件的表面形貌、基本力学性能等,对试件的疲劳性能进行了考核,并分析了疲劳断口形貌。结果表明,LSP前处理在TC4表面形成了厚度约为300μm,具有高硬度和残余压应力的硬化层。TC4合金基体的平均疲劳强度为373.8 MPa,制备TiN/Ti涂层后试件的疲劳强度为363.7 MPa,较基体略有降低。增加LSP前处理后试件的疲劳强度为411.9 MPa,较TiN/Ti涂层试件提高13.3%,较无涂层试件提高10.2%。TiN/Ti涂层可以抑制表面上的裂纹萌生并减缓其扩展速率,但在拉伸过程中发生破碎而与基体发生剥离,裂纹抑制效果有限,且涂层的破裂促进了裂纹扩展。采用LSP前处理后,TC4表面形成的硬化层增加裂纹萌生难度,且提高的结合强度可降低裂纹扩展速率。     

TC4钛合金表面沉积TiCN涂层及其耐磨耐腐蚀性能研究

目的提高TC4钛合金的耐磨耐蚀性能。方法采用双阴极等离子溅射沉积技术在TC4合金表面制备了TiCN涂层。通过XRD表征了涂层的物相组成,并通过SEM表征了涂层的微观形貌。利用声发射划痕仪研究了涂层与基体的结合力,摩擦磨损试验机用于研究TiCN涂层的摩擦磨损性能。用电化学工作站在3.5%NaCl溶液中进行电化学实验。结果所沉积涂层均匀致密,无明显缺陷,涂层由外层厚度约为8μm的TiCN沉积层和其下约4μm厚的过渡层组成。TiCN涂层与TC4基体的结合强度比较高,其结合力达到66.4 N。室温条件下法向载荷相同时,TiCN涂层的磨痕宽度远小于TC4钛合金基体的磨痕宽度。TiCN涂层的比磨损率为(1～2)×10-5 mm~3/(N·m),TC4钛合金的比磨损率为(2～4)×10~(-4) mm~3/(N·m),TiCN涂层的比磨损率较TC4钛合金降低了1个数量级以上,并且对载荷的变化不敏感。TiCN涂层与TC4钛合金基体比较,具有更高的自腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度,涂层的腐蚀电流密度为1.57×10-9 A/cm~2,TC4钛合金的腐蚀电流密度为1.35×10-8 A/cm~2,涂层的腐蚀电流密度较钛合金基体小1个数量级。TiCN涂层的EIS阻抗谱容抗弧值也较大。结论双阴极等离子溅射沉积TiCN涂层可以有效提高TC4钛合金的耐磨耐腐蚀性能。     

柔性钛电极电火花合成TiN涂层

文中提出一种利用柔性钛电极在钛合金TC4表面合成TiN涂层以改善工件表面性能的新方法.在加工中利用柔性钛电极与钛合金TC4表面进行电火花放电,同时通过钛电极内部向加工区域通入氮气,利用电火花放电能量在工件表面反应生成TiN涂层.测量其表面硬度并利用SEM,XRD等手段对其涂层微观形貌和组分进行测试.结果表明,在TC4工件表面制备出了TiN强化涂层,涂层致密、均匀、连续;TiN涂层厚度超过1 mm;涂层主要由TiN强化相组成,显微硬度高达1859.6 MPa;涂层表面的放电坑大而浅且存在刮削痕迹,柔性钛电极丝对TiN涂层有较强的刮削涂覆作用;TiN涂层与基体之间相互渗透形成冶金结合.     

基体材料对Cr/CrN多层涂层在海水环境中磨蚀性能的影响

目的 讨论海水环境下不同基体材料对Cr/CrN交替的多层复合涂层磨蚀性能的影响,为海水环境下耐磨蚀材料基体的选择和应用提供参考。方法 采用多弧离子镀技术在316L不锈钢和TC4钛合金基体上沉积Cr/CrN多层复合涂层,通过XRD、SEM等技术对涂层材料的微观结构进行表征,通过硬度测试、结合力测试、电化学分析、摩擦磨损试验等技术对涂层材料的力学性能、电化学性能以及摩擦学性能进行分析,比较不同基体对Cr/CrN多层涂层在海水环境中磨蚀性能的影响。结果 以TC4钛合金为基体的Cr/CrN多层涂层的硬度为1727.2HV0.3,虽略小于以316L不锈钢为基体的涂层硬度（2241.5HV0.3）,但其在膜-基结合力、海水环境下电化学性能和摩擦学性能等方面均优于以316L不锈钢为基体的涂层。结合力测试中,以TC4为基体的多层涂层初始裂纹出现在31 N,扩展裂纹出现在42 N,大于316L基体涂层的22 N和35 N。电化学测试中TC4基体涂层的腐蚀电位为?0.20 V,大于316L基体涂层的腐蚀电位（?0.21 V）。海水环境下TC4基体涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.35和2.9950×10?5 mm3/(N?m),均小于316 L基体涂层的平均摩擦系数（0.36）和磨损率（4.9895×10?5 mm3/(N?m)）。结论 TC4钛合金更适合作为海水环境用Cr/CrN多层涂层耐磨蚀材料的基体材料。     

钛合金表面电弧离子镀TiN/TiAlN多层复合涂层的组织及性能

运用电弧离子镀技术,采用单独的钛、铝靶材,在TC4钛合金表面制备了TiN/TiAlN多层复合涂层,利用SEM、EDS对涂层微观组织进行了分析,并测试了涂层显微硬度和耐磨损性能.结果表明:多层复合涂层厚度约为2.5μm.经镀膜,试样表面粗糙度提高,Ra值为0.541 μm.涂层表面Ti/Al原子比约为0.9.涂层表面显微硬度HV0.025为23.5 GPa.由于涂层表面硬度高,且多层复合的微观结构使得涂层有优异的结合力与内聚力,使得复合涂层试样的磨损失重大大低于未处理的试样.     

锆合金表面涂层耐高温高压动水腐蚀性能的研究

目的 提高锆合金在高温高压环境中耐动水腐蚀性能。方法 利用多弧离子镀技术（MAIP）在Zr-4合金表面分别制备了Al2O3涂层和Cr/TiAlN复合涂层,利用磁控溅射技术（MS）在Zr-4合金表面制备了TiN涂层。通过堆外高压釜实验,对比研究了三种不同涂层的耐高温高压动水腐蚀性能,利用自动划痕仪检测膜基结合力,利用XRD分析涂层的物相成分,利用SEM观察涂层腐蚀前后的微观形貌,利用EDS对涂层元素种类与含量进行分析。结果 多弧离子镀技术制备的Al2O3涂层和Cr/TiAlN涂层致密度较高,但表面存在少量大颗粒与微孔洞;磁控溅射技术制备的TiN涂层均匀平整,表面大颗粒较少。Al2O3涂层、TiN涂层和Cr/TiAlN涂层可承受的临界载荷分别为26、16、26.5 N。在实验条件下,Cr/TiAlN涂层和TiN涂层表面均发生了剥落或腐蚀现象,且这两种试样表面均检测出大量的ZrO2,而Al2O3涂层几乎未被破坏,基体得到了充分防护。结论 利用多弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备的Al2O3涂层和Cr/TiAlN涂层的膜基结合力较高,利用磁控溅射技术制备的TiN涂层的膜基结合性能较差,其中Al2O3涂层具备良好的耐腐蚀性能,在高温高压动水腐蚀环境中能够有效地保护锆合金基体。     

真空退火对TC4钛合金表面Ti/TiN多层复合涂层性能的影响

金属基体材料表面硬质膜层在服役过程中,残余应力在膜基界面以及膜层内部界面之间的积聚会导致膜层发生界面剥落失效。以TC4钛合金基体表面Ti/TiN多层复合膜层为研究对象,探讨真空退火对复合膜层结构及性能的影响,并表征退火前后复合膜层的界面划痕失效以及抗粒子冲蚀性能。结果表明,真空退火促进了膜层内部以及膜基界面两侧原子的热扩散,使得界面结构特征明显弱化。界面状态的改变使得复合膜层的表面显微硬度降低以及膜基结合强度提高。在划痕载荷作用下,复合膜层抵抗裂纹沿界面扩展的能力得到增强。真空退火有助于提高膜层的强韧性匹配,可有效抵抗小角度冲蚀粒子的犁削以及大角度粒子冲蚀下的疲劳,因此Ti/TiN多层复合膜层表现出较好的抗冲蚀性能。     

复合离子束制备氮化物多层膜的抗冲蚀性能

为了在TC4钛合金上获得抗冲蚀性能优良的膜层,利用金属蒸发真空多弧(Metal evaporation vacuum arc,MEVVA)离子源和阴极真空磁过滤弧复合离子束沉积技术在TC4钛合金基材表面制备Cr/Cr-N、Ti/Ti-N、Cr-Ti/Cr-Ti-N、Ti-Al/Ti-Al-N 4种体系的多层膜。采用努普显微硬度计、划痕仪、微粒喷浆冲蚀试验机、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、体式显微镜等仪器对不同体系膜层的力学性能及形貌进行测试表征,对比研究各膜层体系抗冲蚀性能的机理。结果表明:该技术制备的膜层致密、交替层结构明显;不同膜层体系的抗冲蚀性能差异较大,尤以二元金属及其氮化物交替复合多层膜具有较好的抗冲蚀性能,其中CrTi/Cr-Ti-N体系的膜层抗冲蚀性能相比基体提高10.1倍以上,其次为Ti-Al/Ti-Al-N、Ti/Ti-N、Cr/Cr-N,分别提高6.1倍、4.1倍和2.3倍。     

Effect of bias voltage on microstructure,mechanical and tribological properties of TiAlN coatings

TiAlN multilayer coatings composed of TiAl and TiAlN layers were deposited on ZL109 alloys using filtered cathodic vacuum arc (FCVA) technology. The effect of bias voltage on the microstructure and properties of the coating was systematically studied. The results show that the coating exhibits a multi-phase structure dominated by TiAlN phase. As the bias voltage increases, the orientation of TiAlN changes from (200) plane to (111) plane due to the increase of atomic mobility and lattice distortion. The hardness, elastic modulus and adhesion of the coating show the same trend of change, that is, first increase and then decrease. When the bias voltage is 75 V, the coating exhibits the highest hardness (~30.3 GPa), elastic modulus (~229.1 GPa), adhesion (HF 2) and the lowest wear rate (~4.44×10^?5 mm³/(N·m)). Compared with bare ZL109 alloy, the mechanical and tribological properties of TiAlN coated alloy surface can effectively be improved.     

TC4钛合金表面沉积CrSiN/SiN纳米多层膜在3.5%NaCl溶液中的腐蚀磨损性能

为了研究纳米多层膜的耐腐蚀性能以及腐蚀磨损机理,采用离子源辅助磁控溅射在TC4钛合金表面制备不同调制周期的CrSiN/SiN纳米多层膜。使用扫描电子显微电镜、能谱仪表征涂层的微观结构、腐蚀形貌以及元素分布;使用划痕仪、纳米压痕仪、维氏硬度计测量涂层的膜基结合力、硬度、弹性模量及断裂韧性,采用电化学工作站以及销盘磨损仪测量涂层耐腐蚀性和腐蚀磨损性。结果表明:调制周期为90 nm与360 nm时涂层耐腐蚀性能较好,腐蚀电流密度分别为1.31×10~(-8)A·cm~(-2)和1.20×10~(-8)A·cm~(-2)。此外,调制周期为45nm时,涂层硬度及弹性模量最大,分别为(22.5±0.6)GPa和(226.4±6.3)GPa,且腐蚀磨损率最低,为9.67×10~(-7)mm~3·N~(-1)·m~(-1)。多层膜结构显著改善了TC4钛合金的耐腐蚀及腐蚀磨损性能。     

Effect of TiN/Ti composite coating and shot peening on fretting fatigue behavior of TC17 alloy at 350 °C

A TiN/Ti composite coating has been prepared on a TC17 titanium alloy substrate by an ion-assisted arc deposition (IAAD) technique with a view to improving the fretting fatigue resistance of the titanium alloy at 350 °C. The composition distribution, bonding strength, micro-hardness, ductility, tribological properties, and fretting fatigue resistance at elevated temperature of the coating have been investigated. The results indicate that the IAAD technique can be used to prepare a TiN/Ti composite coating with high hardness, good ductility, excellent bonding strength, and high load-bearing capability. The TiN/Ti composite coatings can improve the resistance to wear and fretting fatigue of the Ti alloy, as manifested in its excellent tribological behavior at 350 °C. However, the fretting fatigue resistance of the titanium alloy treated by shot peening (SP) combined with IAAD TiN/Ti coating post-treatment was lower than that by IAAD TiN/Ti coating or SP alone, because the compressive residual stress induced by SP was significantly relaxed during coating process and the coating easily cracked and broke off.     

TC4钛合金表面涂层改性:CrN素多层

目的 提高TC4钛合金的硬度和耐磨损性,改善CrN硬质涂层与TC4钛合金的适应性.方法 采用等离子体增强磁控溅射系统,通过调节热丝放电电流,在TC4钛合金基体表面沉积疏密CrN单层和素多层涂层.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、纳米压痕仪、洛氏压痕仪、摩擦磨损仪以及台阶仪,表征涂层形貌、成分、物相及性能.采用动电位极化法表征涂层的耐腐蚀性.结果 当热丝放电电流为较低的4 A×4时,沉积的CrN单层涂层为具有针孔、孔洞等缺陷的疏松结构,8 A×4沉积的CrN单层涂层具有致密结构,周期性调节热丝放电电流则获得疏密交替的CrN素多层涂层.CrN涂层均由单一面心立方结构的CrN相组成,疏松CrN单层涂层的衍射晶面为(111)、(200)、(220)及(222),致密CrN单层涂层沿(111)晶面择优生长,随着疏密子层调制比的增大,CrN素多层涂层的(111)衍射峰不断增强.疏松CrN单层涂层的最小H和最大E分别为13.0 GPa和207.5 GPa,调制比为1:4的疏密CrN素多层涂层的最小H和最大E分别为17.0 GPa和257.4 GP.在1470 N载荷下洛式压痕法表明,致密CrN单层涂层的结合强度最低,等级为HF5,其余涂层均为HF1—HF4.CrN涂层的自腐蚀电位较TC4钛合金均发生了正移.结论 CrN硬质涂层可以有效提高TC4钛合金的硬度和耐磨损性,表面得到明显强化.周期性调节等离子体密度所沉积的疏密CrN素多层涂层与单层相比,涂层性能明显改善.     

等离子熔覆(CuCoCrFeNi)95B5高熵合金涂层研究

系统研究了等离子熔覆技术制备(CuCoCrFeNi)95B5高熵合金涂层的组织和力学性能。结果表明:等离子熔覆过程中的快速凝固条件有利于抑制涂层中金属间化合物的析出,涂层具有fcc和bcc有序固溶体结构。涂层的硬度为6.53GPa,弹性模量为213 GPa。(CuCoCrFeNi)95B5高熵合金涂层具有良好的耐磨性,其相对耐磨性为Q235钢的2.3倍;其主要磨损机理为切削与犁沟机制。