DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响

为提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能,采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)离子源注入与磁过滤真空阴极弧(FCVA)沉积复合技术、磁控溅射技术在TC4钛合金表面制备DLC、TiN涂层。采用SEM、Raman、XRD、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的物相结构、硬度、弹性模量以及与基体的结合力进行表征。在冲蚀试验平台上考核试样在不同入射角度条件下的抗砂尘冲蚀性能。结果表明:DLC涂层表面结构致密,含有大量sp3键,硬度为62.1 GPa,弹性模量为391.64 GPa,结合力达80.4 N;TiN涂层表面存在许多熔滴颗粒及空穴,硬度为22.72 GPa,弹性模量为383.18 GPa,结合力达34.7 N。30°冲蚀条件下,涂层主要是通过提高基体表面硬度来抵抗砂尘粒子的微切削作用,从而提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能。90°冲蚀条件下,涂层通过延缓基体的塑性变形来实现TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的提高。     

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。     

高含沙水流用水轮机叶片表面热喷涂WC/Co涂层的性能

通过高速火焰喷涂技术(高速氧-燃气喷涂,HVOF)在水轮机叶片用06Cr13不锈钢表面喷涂WC/Co涂层。采用金相显微镜、硬度计、万能试验机分析了WC/Co涂层的孔隙率、显微硬度及其与基体的结合强度;并在高含沙水流环境中通过冲蚀、汽蚀试验测试WC/Co涂层的耐冲蚀性能和耐汽蚀性能。结果表明:WC/Co涂层的孔隙率、显微硬度及其与基体的结合强度分别为0.68%、1211HV、70MPa;WC/Co涂层具有优良的耐冲蚀性能,冲蚀后其磨损量仅为06Cr13不锈钢基体的0.18倍;WC/Co涂层具有良好的致密度、结合力及强韧性,因此涂层也具有优良的耐汽蚀性能。     

热腐蚀和盐雾腐蚀影响氮化物涂层冲蚀行为的机制

金属氮化物涂层是目前重点关注的航空发动机压气机抗冲蚀涂层体系。为了兼顾热物理化学环境和应力环境的影响,进行涂层的腐蚀-冲蚀耦合行为研究十分重要。本研究对比了TiN/Ti涂层与TiN/ZrN涂层的原始状态、热腐蚀后和盐雾腐蚀后的冲蚀行为。结果表明,对于TiN/Ti涂层,在涂层的缺陷处盐雾腐蚀时形成点蚀坑,这是发生冲蚀的薄弱环节,盐雾腐蚀后TiN/Ti涂层的抗冲蚀能力及结合力低于原始涂层和热腐蚀后的涂层。对于TiN/ZrN涂层,热腐蚀过程中液滴表面形成疏松的腐蚀产物和氧化物,使其在冲蚀时更容易脱落,热腐蚀过程中产生的层间热应力削弱了涂层的结合力。热腐蚀涂层冲蚀后呈现严重的螺旋状剥落,热腐蚀后TiN/ZrN涂层的抗冲蚀能力及结合力低于原始涂层和盐雾腐蚀后涂层。     

等离子渗氮Ti合金基体上的TiN涂层的砂浆冲蚀特性

在射流冲蚀装置中研究了等离子渗氮Ti合金基体上的TiN涂层在砂浆介质中的冲蚀行为.砂浆冲击速度为6.4～15.2m/s.结果表明:在低冲击速度下,TiN涂层具有很高的抗冲蚀性能.随着砂浆速度的提高,TiN涂层被砂浆击穿甚至开裂,对基体的保护作用降低.涂层穿孔后,位于冲蚀区中部显露的渗氮基体形成塑性形变条片,边缘区则由于砂浆对基体的切削作用而被冲蚀.     

TC4钛合金表面渗碳复合TiN(Ti)膜层的抗冲蚀性能研究

硬质膜层能够显著提高飞机发动机钛合金叶片的抗固体颗粒冲蚀性能,现有的软基体/硬膜层体系由于较高的脆性及界面不匹配性很容易被冲蚀,膜基界面极易发生脆性剥落。为了改善硬质膜层的抗冲蚀性能,结合辉光离子扩渗及等离子增强电弧离子镀技术,本文在TC4合金表面制备了具有梯度渗碳及TiN(Ti)膜层的复合渗镀层,并表征了结构对于复合渗镀层性能的影响。结果表明,相对于未强化的TC4基体表面单层TiN及12周期复合Ti/TiN膜层,复合渗镀层的显微硬度及膜基结合强度均同步得到了提高。冲蚀试验结果表明,TC4基体未渗碳前,表面单层TiN膜层呈现出脆性冲蚀开裂机制,12层复合Ti/TiN膜层由于多层复合结构的增韧效应,呈现出层状剥落及“冲蚀窝”损伤形貌。渗碳后,复合渗镀层的抗冲击韧性得到提高,单层TiN膜层在冲蚀条件下的膜基界面脆性开裂明显被抑制。渗碳复合12周期复合Ti/TiN结构的复合渗镀层具有最佳的抗固体颗粒冲蚀性能,表现出明显的韧性损伤机制,冲蚀失重率降低了十余倍。抗冲蚀性能的提高可归结于复合渗镀层较高的表面硬度、界面强度和强韧性匹配。     

钛合金及其表面沉积Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的冲蚀行为

采用多弧离子镀技术在TC11钛合金表面制备了厚度为18.7 μm的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜,用45 μm白刚玉通过微喷砂试验机评价TC11钛合金及Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜在30°和90°攻角下的抗冲蚀性能,并分析其冲蚀机理.结果表明:30°攻角下,冲蚀砂量为70 g时,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜被冲破,此时该多层膜的冲蚀坑深度为21.88 μm,TC11钛合金基材为269.9 μm.90°攻角下,冲蚀砂量为20 g时,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜被冲破,此时该多层膜的冲蚀坑深度为8.95 μm,TC11钛合金基材为46.96 μm.30°攻角下,钛合金的冲蚀以微切削为主,多层膜以微切削和微断裂为主.在90°攻角下,钛合金的冲蚀以点坑冲蚀为主,多层膜以裂纹萌生扩展和点坑冲蚀的混合冲蚀为主.     

超音速电弧喷涂NiTi混合涂层的冲蚀磨损性能研究

采用超音速火焰喷涂技术在0Cr13Ni5Mo不锈钢基体上分别制备Ni Ti涂层和Ni Ti/Ni Al混合涂层。用X射线衍射仪分析了涂层的相组成,用扫描电镜分析了涂层的组织形貌,在显微硬度仪上进行了硬度测试,在冲蚀试验机上进行了涂层耐冲蚀性能的研究。结果表明,Ni Ti/Ni Al混合涂层较Ni Ti涂层具有更高的硬度,涂层组织也更加均匀致密,耐冲蚀性能强于Ni Ti涂层。     

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。     

Effects of titanium-implanted pre-treatments on the residual stress of TiN coatings on high-speed steel substrates

This investigation examined how titanium ion implantation pre-treatment affects the residual stress of TiN coatings on M2 high-speed steel. Ions were implanted by metal plasma ion implantation. The adhesion strength of the TiN coatings was enhanced by pre-treatment that implanted Ti into the M2 tool steel substrate. The implanted substrate functioned as a buffer layer between the deposited TiN and the tool steel substrate, resulting in variations of the residual stress. The residual stress determined by glancing-angle XRD demonstrates that the deposited TiN films on ion-implanted substrates exhibited reduced compressive stress, from − 3.95 to − 2.41 GPa, which corresponded to a decrease in the grain size of the TiN films. The texture of the TiN film was clearly transformed from the preferred orientation of (220) to (111), subsequently enhancing wear resistance against a tungsten ball.     

W、Mo离子注入对离子镀TiN薄膜表面结构和性能的影响

目的进一步改善氮化钛薄膜的摩擦学性能。方法利用金属蒸汽真空弧源(MEVVA)在离子镀TiN薄膜表面进行等剂量W、Mo离子注入。采用扫描俄歇系统、光学三维形貌仪、X射线衍射仪和纳米压痕仪,分别分析了TiN薄膜的离子注入深度、表面形貌及粗糙度、相结构和不同压入深度的薄膜硬度。在球盘滑动摩擦磨损试验机上考察了TiN薄膜的摩擦学性能,并利用扫描电子显微镜和三维形貌仪对其磨损形貌进行分析。结果等剂量离子注入后,TiN表面注入层中W离子的含量明显大于Mo离子,两种离子注入对TiN薄膜的表面形貌和硬度的影响较小。XRD结果表明,W离子和Mo离子注入后均发现了Ti_2N硬质相。两种离子注入均可以不同程度地降低TiN薄膜的摩擦系数和磨损率。结论 W、Mo离子注入均可显著改善TiN薄膜的摩擦学性能,但Mo离子更有利于其摩擦系数的降低,而W离子注入更有利于TiN薄膜磨损率的降低。     

Ti6Al4V合金表面离子注入N+C,Ti+N和Ti+C性能研究

采用等离子体基离子注入的方法在Ti6Al4V合金表面分别注入N+C、Ti+N和Ti+C元素,注入剂量均为2×1017 ions/cm2,N+C和Ti+N元素的注入负脉冲偏压为-50 kV,Ti+C元素的注入电压分别为-20 kV、-35 kV和-50 kV。通过X射线光电子能谱仪（XPS）和X射线衍射仪（XRD）对注入层进行了微观结构分析,结果表明：Ti+C注入层中存在TiC和Ti-O,Ti+N注入层中存在TiN和Ti-O键。采用纳米压痕仪和球盘磨损试验机对注入层的硬度和摩擦学性能进行了研究。结果表明：在相同注入电压下,Ti+C注入层的硬度最高,其次是Ti+N注入层,N+C注入层的硬度最低;Ti+C 注入层的硬度随着注入电压的增大而增大,最大硬度为11.2GPa。50kV注入层Ti+C具有最低的比磨损率,其值为6.7×10-5mm3/N.m,比磨损率较未处理Ti6Al4V基体下降了1 个数量级以上,表现出优异的耐磨损性能。     

梯度过渡层对硬质合金沉积类金刚石膜的耐磨性影响

目的分析不同类型的梯度过渡层对硬质合金沉积类金刚石涂层耐磨性能的影响,制备出能有效改善硬质合金减摩抗磨性能的类金刚石涂层。方法采用真空阴极电弧离子镀和等离子体增强化学沉积技术,在硬质合金基底上制备了Ti/TiC/DLC、Ti/TiN/DLC、Ti/TiN/TiNC/DLC和Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC四种类型的Ti多元梯度过渡类金刚石涂层。通过GNEHM-150型洛氏硬度计和电子显微镜、MFT-4000多功能材料表面性能试验仪、纳米硬度测试仪,分别评价不同类型多元梯度过渡层对硬质合金类金刚石涂层的膜基结合强度、摩擦磨损性能及纳米硬度。结果 Ti/TiC/DLC、Ti/TiN/DLC、Ti/TiN/TiNC/DLC和Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC四种类型涂层的膜基结合强度等级分别为HF3-HF4、HF5-HF6、HF1-HF2、HF1,对两种膜基结合强度较好的涂层(Ti/TiN/TiNC/DLC、Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC)进行摩擦磨损检测,其摩擦系数分别为0.2、0.1,且经过60 min对摩,Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC涂层仍未出现明显剥落。结论梯度过渡层的类型对薄膜的膜基结合强度、摩擦性能有较明显的影响,Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC结构的涂层膜基结合强度最好,具有最低的摩擦系数,表现出了优异的减摩抗磨性能,可有效改善硬质合金表面的耐磨性能。     

The effect of MEVVA ion implantation of Zr on the corrosion behaviour of PVD TiN coatings

The use of TiN coatings as corrosion barriers is limited by the presence of defects such as pin-holes. In this study Zr ions were implanted into PVD deposited TiN coatings at varying doses, to improve the corrosion resistance. The corrosion behaviour was assessed in saline environments using linear polarisation techniques and the corroded surface of the coatings characterised using XPS and SEM. Overall, ion implantation resulted in an increase in the coating’s corrosion resistance. Protection was attributed to closure of existing pin-holes and the formation of various nitrides, oxides and oxynitrides of Ti and Zr.     

TiN, TiN gradient and Ti/TiN multi-layer protective coatings on Uranium

Single-layer TiN, gradient TiN and multi-layer Ti/TiN coating were deposited on silicon and uranium substrates by means of arc ion plating technique. The main phase in the single-layer TiN coating was TiN with a (111) preferred orientation. Ti and TiN were observed in the TiN gradient coating and Ti/TiN multi-layer coatings. The single-layer TiN coating has demonstrated the best wear resistance among the three coatings. Compared with the bare U substrate, the corrosion potential E_corr of the multi-layer Ti/TiN coatings is increased by 580 mV, and the corrosion current density I_corr is decreased at least by two orders of magnitude. The multi-layer Ti/TiN coatings possessed the highest corrosion resistance among the three coating in a 0.5 μg/g Cl⁻ solution.