不同基体前处理对AlCrN涂层结构和性能的影响

目的 通过对基体进行前处理,提高AlCrN涂层的摩擦磨损性能和切削性能.方法 采用不同前处理方法(湿喷砂、干喷砂和微粒子喷丸)对高速钢基体表面进行处理,随后沉积AlCrN涂层,利用X射线衍射以、扫描电子显微镜等仪器,以及切削试验,分析不同前处理方式对涂层组织结构、膜基结合力、表面形貌、表面粗糙度、摩擦磨损性能以及切削性...     

Al/Cr原子比对AlCrTiSiN多元复合刀具涂层微观结构及切削性能的影响

AlCrTiSiN多元复合涂层能显著改善刀具的表面特性,可大幅提高刀具的切削性能,延长刀具使用寿命。在高速钢样品和铣刀表面通过多弧离子镀制备AlCrTiSiN多元复合涂层,并研究了Al/Cr原子比对AlCrTiSiN多元复合涂层微观结构及切削性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪、划痕仪和球盘摩擦磨损试验对涂层的微观结构和力学性能进行研究,并通过切削试验对涂层刀具的寿命进行测试。研究结果表明:当Al/Cr比为0.4时,AlCrTiSiN涂层物相由fcc-AlCrN,fcc-Al Ti N,hcp-Al N和非晶态Si_3N_4相组成,涂层呈现(200)AlCrN择优取向;随Al/Cr比由0.4降低至0.2时,涂层物相由fcc-AlCrN,fcc-Al Ti N,hcp-Cr2N和非晶态Si_3N_4相组成,(200)AlCrN择优取向消失。随Al/Cr比由0.4降低至0.2时,AlCrTiSiN涂层硬度和结合力增加,摩擦因数和磨损率降低,与另两组相比,AlCrTiSiN-3涂层具有较好的抗摩擦磨损性能,其涂层刀具具有相对较高的切削寿命。     

高能离子刻蚀前处理对AlTiSiN涂层切削性能的影响

目的提高AlTiSiN涂层与刀具基材的结合强度,降低涂层表面的粗糙度,减少切削过程中涂层的剥落,改善涂层刀具的切削寿命。方法采用离子源增强的多弧离子镀设备刻蚀清理基体材料,并制备AlTiSiN涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、粗糙度仪、划痕仪和铣削实验探讨涂层沉积前不同Ar离子刻蚀清洗工艺对AlTiSiN涂层结构、膜基结合力和涂层表面形貌的的影响,探究不同刻蚀清洗工艺对涂层刀具切削机理和切削性能的影响。结果 AlTiSiN涂层的相结构主要由(Al,Ti)N固溶体相组成,涂层沿着基体呈现柱状生长。随着高能Ar离子刻蚀电流由40 A增加至100 A,涂层的表面粗糙度降低,Ra值由140 nm降至69 nm,Sq值由226 nm降至117 nm;涂层与基体之间的结合强度增加,Lc2由41 N增加至52 N;切削加工DC53模具钢结果显示,当清洗电流增加至100 A,涂层的剥落几率降低,涂层刀具的切削寿命增加,由11 m增加至23 m。结论高能离子刻蚀前处理过程可有效增加涂层与基体之间的结合强度,降低涂层表面粗糙度,进而提高涂层刀具的切削寿命。刻蚀清洗所用电流强度越大,清洗效果越好,刀具涂层切削性能提高越明显。     

钛合金切削用Ti_(1-x)Al_xN涂层的制备及其切削性能研究

采用磁控溅射法制备了不同Al含量的Ti1-xAlxN涂层.经XRD,SEM,EDX和纳米压痕仪分析发现,Al含量在0.50~0.58(原子分数,下同)之间时,Ti1-xAlxN涂层为(111)择优生长的fcc结构.当Al含量增加到0.63时,涂层中有六方纤锌矿结构的Al N生成,涂层硬度降低.另外,随着Al含量的增加,涂层表面颗粒尺寸变大,涂层变疏松.钛合金切削实验表明,涂层刀具的磨损形式主要为黏结磨损和崩刃.在低速切削(65 m/min)时,Ti0.50Al0.50N涂层刀具的切削性能略好于无涂层刀具,并且都好于Ti0.42Al0.58N和Ti0.37Al0.63N涂层刀具.在高速切削(100 m/min)时,Ti0.50Al0.50N涂层刀具有最好的切削性能,其切削距离比无涂层刀具提高4倍多.这主要因为Ti0.50Al0.50N涂层表面致密、硬度高,在钛合金切削时形成的切屑瘤致密而整齐.     

高速钢涂层刀具的切削和摩擦磨损性能研究

采用非平衡磁控溅射离子镀方法对高速钢刀具表面进行了涂层沉积处理,研究了表面涂层的显微形貌、物相组成和涂层的摩擦磨损性能,并对比分析了涂层对刀具切削性能的影响。结果表明,高速钢表面的涂层组织致密、均匀,与基体冶金结合良好;不同偏压下涂层的物相均为Cr、Cr_2N、Cr N和Fe_3Mo_3N;600℃以下使用时高速钢刀具表面涂层具有较高的抗热摩擦磨损性能,600℃以上时抗热摩擦磨损性能相对较差;该涂层可以对刀具切削刃起到良好的保护作用,并可以抑制或者减少刀具的磨损。     

高速钢涂层刀具的切削和摩擦学性能研究

采用非平衡磁控溅射离子镀方法,对高速钢刀具表面进行了涂层沉积处理,研究了表面涂层的显微形貌、物相组成和涂层的摩擦磨损性能,并对比分析了无涂层和有涂层刀具的切削性能。结果表明,高速钢表面的涂层组织致密、均匀,实现了与基体的良好冶金结合;不同偏压下涂层的物相均为Cr、Cr_2N、Cr N和Fe_3Mo_3N;高速钢刀具表面涂层在使用温度为600℃以下时具有较高的抗热摩擦磨损性能,而在温度为600℃以上时抗热摩擦磨损性能相对较差;高速钢刀具表面进行的非平衡磁控溅射离子镀沉积处理涂层,可以对切削刃起到良好的保护作用,并可以抑制或者减少刀具的磨损。     

多弧离子镀TiAlSiN梯度涂层制备及切削性能

针对含Si超硬涂层与基体结合强度不足,切削过程中涂层易发生剥落从而导致涂层刀具切削性能低的问题,采用离子源增强的多弧离子镀技术在硬质合金刀具上制备了不同含Si层梯度结构的TiAlSiN梯度涂层。利用XRD、SEM、OM以及切削试验探讨不同含Si层梯度结构对涂层物相、表面形貌、膜基结合强度、摩擦磨损以及切削性能的影响。结果显示：不同含Si层梯度结构的TiAlSiN涂层主要由固溶的（Ti,Al） N和（Al,Ti） N相组成。其中,低Si直接过渡的TiAlSiN涂层（S3）呈现出较高的硬度、良好的膜基结合力、较低的涂层残余应力和摩擦因数。铣削结果显示,涂层刀具的切削磨损机理主要表现为粘着磨损。当切削速度为80 m/min时,低Si过渡涂层（S3涂层）表现出更高的切削长度（925 m）,显著高于S1涂层的525 m;当切削速度由80 m/min增加至110 m/min时,S3涂层切削长度增加到1650 m。对含Si刀具涂层进行梯度设计,可有效提高涂层的膜-基结合强度和涂层刀具的切削性能。     

氮气分压对AlCrTiSiN超晶格涂层微观结构及力学性能的影响

超晶格涂层因具有优异的力学性能及抗氧化性能在刀具涂层工业中备受关注。采用多弧离子镀技术在高速钢表面制备了AlCrTiSiN涂层,研究了氮气分压对AlCrTiSiN涂层微观结构及力学性能的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜研究了AlCrTiSiN涂层的微观结构;利用纳米压痕仪、划痕仪和磨损仪研究了AlCrTiSiN涂层的力学性能。结果表明:不同氮气分压的AlCrTiSiN涂层均由(Cr,Al)N相、(Ti,Al)N相和(Cr,Al)2N相以及非晶态的Si相和Si3N4相组成。与氮气分压为4Pa的涂层相比,氮气分压为2或3Pa的涂层具有更高的硬度、抗载荷能力和涂层-基体结合强度,以及更低的摩擦因数及磨损率。此外,45钢和铸铁切削试验表明:AlCrTiSiN涂层刀具较AlCrN涂层刀具有更好的切削性能,无涂层刀具具有最差的切削性能。     

H13表面TiAlN/CrAlN复合涂层的摩擦磨损性能研究

采用真空电弧离子镀工艺在H13钢表面制备Ti Al N/Cr Al N复合涂层,利用划痕试验仪、盘式摩擦磨损试验机、金相显微镜和努氏硬度计分析Ti Al N/Cr Al N膜层的结合力和摩擦学性能,金相组织形貌和试样表面的显微硬度。结果表明,Ti Al N/Cr Al N复合薄膜表面组织分布均匀,结合致密,涂层与基体间的结合力是影响涂层承载能力的主要因素之一,Ti Al N复合涂层的摩擦性能优于H13基体和Cr Al N复合涂层的摩擦性能,Ti Al N/Cr Al N复合涂层的结合力分别为35 N和24 N,沉积有Ti Al N涂层试样表面摩擦系数最小,减摩效果最好,耐磨性能优越,并能有效地抵抗摩擦磨损。     

SDC90钢CrTiAlN和AlTiN涂层承载能力和耐磨性的研究

采用非平衡磁控溅射与多弧离子镀技术分别在SDC90模具钢表面制备Cr Ti Al N与Ti Al N涂层,采用SEM、XRD及M200等观察与测定涂层的微观形貌与组织、承载能力及摩擦磨损性能。研究表明:Cr Ti Al N涂层致密、无柱状晶,Al Ti N涂层存在黑色颗粒,有轻微的柱状晶,粗糙度和厚度略高于前者;涂层显著提高了模具钢的表面硬度(1 887~2 482 HV_(0.245N))及承载能力,其中Cr Ti Al N涂层韧性优于Al Ti N涂层;强、韧表面有效降低模具钢的磨损体积与磨损率,磨损18 h后Cr Ti Al N与Al Ti N涂层的磨损体积分别为基体的48%和28%,磨损率分别为基体的60%和28%;高硬度的Al Ti N涂层显示出更好的耐磨性能;磨损机制主要为疲劳磨损。     

表面纳米化对316L不锈钢干摩擦性能的影响

目的研究表面纳米化316L不锈钢干摩擦磨损性能,以获得合理的喷丸时间,提高316L不锈钢的使用寿命。方法采用普通喷丸强化方法对316L不锈钢进行表面纳米化处理,利用洛氏硬度计测量了纳米化前后材料表面洛氏硬度;利用激光共聚焦显微镜观察了纳米化前后材料表面三维形貌,测量了材料表面的粗糙度;利用扫描电子显微镜观察了表面纳米化处理后横截面的金相组织;利用材料表面性能综合测试仪在干摩擦条件下进行了摩擦磨损实验,测量了材料的摩擦系数;利用扫描电子显微镜观察了磨痕表面形貌,分析了材料的磨损机理。结果与未纳米化试样相比,喷丸时间为15 min时,表面硬度提高9.7%,而表面粗糙度降低17.6%,干摩擦系数降低17.3%;喷丸时间为30 min时,表面硬度提高34.1%,粗糙度降低35.1%,干摩擦系数降低28.8%。未纳米化试样呈现典型的粘着磨损和磨粒磨损机制,而纳米化处理后试样则主要呈现疲劳磨损和磨粒磨损机制。结论表面纳米化处理后试样表面硬度随处理时间的增加而增加,粗糙度随处理时间的增加而降低,干摩擦系数随处理时间的增加而减小。喷丸处理时间较短时以疲劳磨损为主,处理时间较长时以磨粒磨损为主。     

Milling characteristics of VN/AlCrN-multilayer PVD coated tools with lubricity and heat resistance

The mechanical and tribological characteristics of the VN/AlCrN multilayered coating films are investigated for cutting tools by using the arc ion plating (AIP) method with a rectilinear magnetic filtering system. The VN coating film forms vanadium oxide V_xO_1–x that has low friction coefficient on a surface above 500°C, whereas AlCrN coatings exhibit higher hot hardness and oxidation resistance. Therefore, the VN/AlCrN multilayer coatings are expected to demonstrate both superior lubricity and heat resistance, whose characteristics depend mostly on the combination of VN and AlCrN films. Moreover, some lower cutting force, tool wear, and tool flank temperature are obtained at high speed end milling of a prehardened stainless steel, as expected.     

微粒轰击Fe基非晶电弧喷涂层性能强化

为了减小热喷涂层残余应力对涂层质量的不利影响,采用喷丸(砂)微粒轰击与高速电弧喷涂相互循环交替的工艺制备了Fe基非晶涂层,使涂层残余拉应力变为残余压应力,喷丸(砂)强化涂层表面残余应力由未处理涂层表面残余拉应力277 MPa分别变为残余压应力-177 MPa(-91 MPa)。利用电子扫描显微镜、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机等分别对涂层的微观形貌、力学性能和摩擦磨损性能进行了测试。结果表明:经过微粒轰击后的涂层表面致密平整,组织结构密实,喷丸(砂)强化涂层的孔隙率仅为1.0%(1.5%),结合强度可达44.6 MPa(56.4 MPa),经过微粒轰击后涂层硬度、弹性模量及摩擦磨损性能都有所提升。喷丸强化涂层局部过度的轰击会使涂层结合强度及摩擦磨损性能略有下降。     

复合喷丸强化对EB-PVD制备的CoCrAlY涂层的高温氧化性能的影响

为了研究复合型的高能喷丸工艺对EB-PVD制备的CoCrAlY涂层的高温氧化性能,采用0.3N、0.3N+0.1N和0.3N+0.2N的喷丸强度对CoCrAlY涂层进行了表面强化。观察了喷丸强化前后涂层的表面形貌;测量了喷丸前后涂层的表面粗糙度、表面残余应力、涂层的厚度和截面硬度;对比分析了喷丸前后涂层物相变化以及涂层高温氧化性能。研究结果表明：复合喷丸强化比普通高能喷丸强化对EB-PVD制备的CoCrAlY涂层的抗高温氧化性能提升更加明显,0.3N+0.1N的复合喷丸工艺对提升涂层的高温抗氧化性能最好。相较普通喷丸工艺,复合喷丸工艺更能明显降低EB-PVD制备的CoCrAlY涂层表面粗糙度,提高涂层的致密度,改善物相结构,进而提升涂层的抗高温氧化性能。喷丸强度大于等于0.3N时,CoCrAlY涂层表面出现鳞状突出物,导致氧化物在此处择优生长,生成的氧化膜中的应力在此处集中而发生破裂,降低涂层的使用寿命,但复合喷丸能消除该鳞状突出物。     

不同双层结构AlCrN/AlCrVN多层涂层的力学和磨损性能

采用电弧离子镀的方法制备了不同数目（1、2、4、6）双层结构的AlCrN/AlCrVN多层涂层,并研究了多层结构对涂层微观结构、力学、摩擦学和切削性能的影响。结果显示,沉积态AlCrN/AlCrVN多层涂层主要由固溶(Al,Cr)N组成,优先生长方向为[111]晶向。与其他多层涂层相比,具有6层双层结构的AlCrN/AlCrVN涂层在高温下表现出较低的摩擦系数（约0.46）和磨损率（0.15×10^-11 m³/N·m）,以及较高的硬度（HK_0.05=38 000 MPa）和膜-基结合强度（L_C2=53±1 N）。多层涂层相邻层之间形成了较多的界面,有助于提高多层涂层的硬度和耐磨性。切削试验结果显示,当切削磨损标准VB=0.2时,AlCrN/AlCrVN-6涂层具有较高的硬度和耐磨性,最长的切削长度为7.4 m。     

Exponential evolution law of fretting wear damage in low-friction coatings for aerospace components

Friction coefficient evolution in low-friction coatings subjected to fretting wear was measured and described using a power-law relation for the development of Kachanov-type damage parameter as a function of accumulated reciprocal sliding distance. Fretting wear tests were performed using idealised contact geometry and loading conditions similar to those found in aero-engine components. A conventional dry film lubricant coating and a mechano-chemical coating were considered, together with various surface pre-treatments, such as high intensity shot peening, shot peening and grit blasting. Results show that friction coefficient growth rate with respect to sliding distance is expressed as a power-law function of the friction coefficient itself. Two parameters were identified that determine the friction coefficient evolution: the damage rate constant and the damage exponent. The damage exponent was found to be close to unity, suggesting an exponential relation between damage and accumulated reciprocal sliding distance, and allowing a mechanical interpretation based on the consideration of energy dissipation in a fretting contact.     

Evaluation of Hard Coating Performance in Drilling Compacted Graphite Iron (CGI)

The aim of this investigation was to compare the performance of the following commercial coatings system, TiAlN/TiN, AlCrN, and TiSiN/AlCrN, deposited in cemented carbide tools in drilling compact graphite iron (CGI). The drilling tests were conducted adopting two cutting speeds: 80 or 150 m/min. For each test condition, the tool flank wear, the machining feed force, and the circularity and the roughness of the resulting drilled hole were determined. At the cutting speed of 80 m/min, the results revealed that the tool life, in terms of flank wear, was improved for the Cr-based coatings, while the multilayered coatings presented a better performance at the cutting speed of 150 m/min. It was also found that feed force is substantially increased when drilling at a cutting speed of 150 m/min. The holes drilled with the TiSiN/AlCrN at a cutting speed of 150 m/min showed the best circularity. The drill roughness is directly influenced by the coating system wear and iron adhesion. Consequently, it was found that the lowest holes’ roughness was obtained with TiSiN/AlCrN at 80 m/min.