恒定动能Si3N4颗粒重复冲击不同厚度TiN/Ti涂层损伤特征对比分析

目的 研究砂粒冲击航空发动机压气机叶片不同厚度的TiN/Ti硬质涂层损伤特征与机理。方法 采用Si3N4硬质球恒定动能垂直重复冲击试验方法,研究厚度对TiN/Ti涂层冲击损伤的影响。通过对比涂层动力学响应、能量吸收率、冲击坑点轮廓、H3/E2值和损伤形貌,分析不同厚度涂层的冲击坑点损伤特征。利用ABAQUS软件仿真获得垂直冲击下涂层的应力分布。结果 在调制比为9∶1的两层TiN/Ti涂层中,厚度为25 μm的涂层坑点直径最大,达到382.49 μm,比坑点直径最小的涂层（20 μm）大了24.8%;厚度为25 μm的涂层坑点最深,达到8.17 μm,比坑点最浅的涂层（15 μm）大了49.9%;厚度为5 μm涂层的接触力峰值最大,为161.4 N,比接触力峰值最小的涂层（20 μm）大了26.1%。随着涂层厚度的增加,涂层的抗冲击能力先增加后减小,厚度为20 μm的涂层抗冲击能力最好。冲击坑点损伤特征有三种：中心区与过渡区的疲劳剥落与疲劳磨损,边缘区的疲劳圆周裂纹与疲劳剥落,涂层/基体变形,其中,以剥落为主。结论 硬质层内的应力梯度和重复交变拉/压应力导致硬质层内产生疲劳圆周裂纹和疲劳剥落,硬质层与结合层界面处的高应力梯度导致产生层间疲劳剥落。     

航空发动机叶片 TiN / Ti 涂层基体冲蚀响应数值模拟

目的研究Ti N/Ti涂层结构变化对TC4钛合金基体冲击塑性应变的影响。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立球形Al2O3颗粒冲击覆有Ti N/Ti涂层TC4基体的二维轴对称模型,分析涂层硬质层厚度、硬质层层数对基体在冲击过程中的等效塑性应变的影响规律。结果对于无涂层的基体,其冲击塑性应变仅发生在冲击的加载阶段,冲击塑性应变分为加载及卸载两个阶段,加载阶段基体的塑性应变由球形颗粒的冲击产生,卸载阶段基体的塑性应变由涂层硬质层的回弹产生。对于单层结构涂层,当硬质层厚度低于12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变较大且呈振荡变化;当硬质层厚度超过12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变减小。对于多层结构涂层,当硬质层的厚度不变,增加涂层硬质层层数使得基体的塑性应变减小。结论有限元可以模拟分析Ti N/Ti涂层结构对TC4钛合金冲蚀性能影响规律,优化Ti N/Ti抗冲蚀涂层的结构设计参数,对抗冲蚀涂层的结构设计及其进一步研究具有指导意义。     

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。     

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130m/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2748.9HV、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...     

TiN/Ti复合涂层高温微动磨损特性研究

采用等离子体浸没离子注入和沉积技术(PIII&D),在1Cr18Ni9Ti不锈钢上制备TiN/Ti复合涂层,用X射线光电子能谱仪(XPS)、X衍射(XRD)、俄歇能谱仪(AES)、扫描电镜(SEM)、激光共焦扫描显微镜(LCSM)对大气氛围中在室温、200 ℃和400 ℃的微动磨损特性进行了研究,结果表明:TiN/Ti复合涂层主要有Ti、TiN和Ti2N三种物相,涂层表面层的钛元素主要是以TiN和TiO2的形式存在,涂层与基材之间有一个Ti, N, Fe, Cr元素的过渡层;在部分滑移区,温度对复合涂层的磨损影响不显著,并且涂层的摩擦因数较低,磨损量较小,表现很好的耐磨性;在滑移区,随着温度的升高,复合涂层摩擦因数和磨损体积增加;在400 ℃由于该涂层被磨穿,其磨损体积比基材还大,其磨损机制主要表现为剥层磨损、氧化磨损和磨粒磨损.     

多层结构对Ti/TiN涂层性能的影响

以TiN、TiAlN为主的过渡族金属氮化物硬质涂层以其较高的表面硬度、良好的耐磨以及抗高温氧化性能,被广泛应用于材料表面防护涂层。然而,涂层内部积聚的高内应力却容易易引发起涂层与基体的结合力问题。利用PVD技术很难在材料表面制备出厚度超过10微米的TiN或TiAlN涂层。多层复合结构能够有效控制涂层中的应力分布,从而使得其成为获得较厚硬质涂层的一种有效方法。本文在TC4合金以及Si（100）基体上利用等离子增强离子镀技术制备了具有不同复合层数的多层Ti/TiN涂层,并研究了复合层数对涂层力学性能的影响。结果表明,随着复合层数的增加,涂层的各项力学性能得到了显著强化。涂层的显微硬度高达2750HV,厚度大于50微米,且具有较好的韧性。涂层的韧性与显微硬度成正比例关系。同时,48层复合结构的Ti/TiN涂层具有低于0.35的摩擦系数以及最佳的抗磨损性能。然而,随着复合层数的进一步增加,涂层与基体的界面显著弱化了涂层的结合强度。     

保温时间对Ti/TiN/TiCN涂层结构、残余应力及耐磨性的影响

目的 改善镁合金表面硬度和耐磨性能。方法 采用磁控溅射法在AZ31表面制备复合Ti/TiN/TiCN涂层,在不同保温时间下对沉积后的复合涂层进行退火处理。借助X射线荧光光谱(XRF)测试复合涂层表面平均元素含量,采用X射线小角掠入射(GIXRD)技术研究涂层物相组成和残余应力,利用扫描电镜(SEM)观察涂层表面形貌和磨痕形貌,借助销盘式摩擦磨损试验机和纳米压痕仪评估涂层的耐磨性能。结果 退火涂层的晶粒尺寸增加,内部缺陷减少,涂层更致密,残余应力显著下降。退火前后涂层的物相均为FCC的TiCN,不同保温时间下的涂层具有不同的择优生长取向。随着保温时间的延长,涂层表面Ti、C含量先增后减,N元素含量先减后增,涂层表面硬度下降,摩擦因数增大,耐磨性能下降。沉积涂层的韧性较好,摩擦因数波动较大,磨损机制以刮擦磨损为主。退火30 min后,涂层的磨损率最低,磨损机制以磨粒磨损和黏着磨损为主。退火90 min后,涂层的磨痕最宽,韧性最差,磨损率最高,磨损机制以磨粒磨损和氧化磨损为主。结论 退火有助于降低残余应力,但退火时间不宜过长,时间超过30 min,涂层的耐磨性能下降。     

离子镀TiN/Ti(CN)多层涂层的力学性能与切削性能

采用多层结构的方法可以提高TiN刀具涂层力学性能和切削性能.采用离子镀技术制备了TiN(0.5μm)/Ti(CN)(0.5μm)/TiN(0.5μm)多层涂层.利用光学显微镜、原子力显微镜和微力学探针表征了涂层的微结构和力学性能,并研究了涂层对硬质合金铣刀切削性能的影响.结果表明,TiN/Ti(CN)多层涂层表面平整、厚度均匀、与基底结合良好,硬度为28.5GPa.高速干式切削试验表明,与普通硬质合金铣刀相比,涂层铣刀的使用寿命提高5倍.     

TiN/Ti(C,N)涂层的显微组织与力学性能

采用磁控溅射在TNMG120408型号的硬质合金刀片上沉积了TiN/Ti(C,N)单层与多层涂层,通过XRD、SEM、纳米压痕、划痕仪与冲击测试等方法,比较分析了TiN/Ti(C,N)涂层的显微组织与力学性能。结果表明,TiN单层涂层的晶粒形貌为典型的喇叭口结构,Ti(C,N)单层涂层为平直的柱状晶结构;而TiN/Ti(C,N)多层涂层为柱状晶结构,形成了TiN、Ti(C,N)交替排列的结构。TiN与Ti(C,N)单层涂层均呈(220)生长织构,而TiN/Ti(C,N)多层涂层呈(111)生长织构。Ti(C,N)单层涂层表现出较好的硬度,而TiN/Ti(C,N)多层涂层则表现出与基体更好的结合力。     

钛合金表面百微米级Ti/TiN多层复合涂层性能研究

目的提高TiN硬质涂层的厚度及各项力学性能。方法采用等离子增强PVD技术在钛合金(TC4)基体表面制备多层复合Ti/TiN涂层,对涂层进行扫描电镜(SEM)分析,采用划痕法表征涂层的结合强度,用维氏显微硬度计测试涂层的显微硬度,利用销盘式摩擦磨损试验仪评价涂层的摩擦磨损性能。结果制备的多层复合Ti/TiN涂层厚度最高可达100μm,且未发生剥落等失效,结合强度相对于单层TiN提高了近3倍。由于Ti、TiN的多层复合调制作用,制备的Ti/TiN显微硬度测试表明复合涂层的显微硬度高达2700 HV0.025,同时,涂层在原有耐磨性能优良的基础上具备自润滑减摩作用,经过近20 000 m的磨损测试,复合涂层的摩擦系数低至0.25左右,且未完全失效。结论多层复合结构能够有效提高TiN硬质涂层的厚度,制备的Ti/TiN多层复合涂层的各项力学性能显著提高。     

钛基 / TiN 涂层接触应力有限元分析

目的研究在接触载荷作用下,钛基/TiN涂层的应力变化规律。方法利用ABAQUS软件建立可靠有限元模型,分析涂层厚度不同的钛基/TiN涂层系统在球压头作用下的接触应力。结果钛基/TiN涂层系统最大Mises应力出现在距表面约0.4a(a为接触半径)处的亚表层或者亚表层附近的界面处。在接触应力和弯曲应力作用下,涂层弯曲变形会影响涂层的径向应力和剪应力分布。结论在接触载荷作用下,涂层内存在接触应力和自身弯曲两种应力作用。分析结果有利于理解钛基Ti N涂层的失效机理。     

温度对TiN/Ti多层膜微观结构和氧化行为的影响

研究了TiN/Ti多层膜不同温度下的微观结构和氧化行为.采用阴极弧离子镀沉积的方法制备了19层调制周期为200 nm的TiN/Ti多层膜及相应的TiN单层膜.采用高分辨场发射电子显微镜(HR-FESEM)、光学显微镜和X射线衍射仪(XRD)分别对膜层断面结构、表面形貌和物相进行分析.结果表明,随着加热温度的升高,TiN单层膜在350℃时开始出现局部剥落,550℃出现大范围的剥落,而多层膜未发生剥落;相对TiN单层膜,TiN/Ti多层膜具有层状结构,其抗氧化能力有一定的提高.结合试验结果,讨论了TiN/Ti多层膜和TiN单层膜的工作温度.     

Ti/TiN和Ni/TiN多层膜的制备和小载荷下摩擦性能研究

在Si（100）基底上制备了Ti／]r．N和Ni／TiN两种多层膜以及TiN单层膜,利用X射线衍射,WYKO表面形貌仪,俄歇电子能谱等对薄膜进行了分析。分别测试了3种薄膜的粘附力,以及在IoN和naN量级载荷下的摩擦力。研究了相对湿度和载荷等条件对3种薄膜的粘附力和摩擦力的影响。结果表明3种薄膜的粘附力均随着相对湿度的增大而增大,3种薄膜的摩擦力均随着载荷增大而增大。Ti／TiN和Ni／TiN膜在uN和rmN量级载荷下的摩擦力均小于TiN膜。两种多层膜的摩擦性能较TiN膜有所改善。     

基于冲击动能控制的Cr-DLC涂层动力学响应和磨损行为

针对防护涂层在受动载时的磨损问题,在动能控制模式的冲击试验机上,通过动力学响应考察了Cr-DLC涂层的冲击磨损行为。响应包括冲击力波形和冲击动能的能量耗散,并以其基体304不锈钢作为对比材料。结果表明:材料的动力学响应差异反映了其抗冲击性的优劣。相同试验条件下,Cr-DLC涂层的冲击力峰值和能量吸收率分别低于304不锈钢约42.0%~51.8%和18.6%~20.8%。此外,还发现在冲击动能相同的情况下,调整速度或质量将会对动力学行为产生显著的影响。质量增大,冲击力峰值降低、接触时间延长;而增加速度仅提升冲击力峰值。通过动力学响应可定性的判断材料抗冲击性能,且与实际磨损结果有较好的吻合。Cr-DLC涂层由于其优异的抗冲击磨损性能以及良好化学稳定性,使其磨痕表面仅有少量的磨损剥落,且磨损氧化现象不明显;304不锈钢的冲击损伤形貌为典型的剥层磨损,材料去除和氧化反应首先发生在表面的剥层。     

空间燃料电池金属钛表面复合涂层制备与性能研究

金属 Ti 因其密度小（仅为不锈钢的 0.6 倍）和比强度高等特点,是轻量化空间燃料电池金属板材料的首要选择,但其在弱酸性环境中长时间工作容易被腐蚀。为了改善金属 Ti 双极板耐蚀性,采用多弧离子镀技术在金属 Ti 表面制备了由 Ti 过渡层及 TiN 表层构成的 Ti / TiN 复合涂层,研究制备工艺参数对 Ti / TiN 复合涂层微观结构及力学、电化学性能的影响规律。利用场发射扫描电子显微镜（SEM）分析涂层的微观形貌,利用 X 射线衍射仪分析涂层的相组成,利用纳米压痕仪评价涂层的力学性能,利用电化学工作站评价涂层在模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极工作环境下的耐蚀性。结果表明：制备工艺参数优化后的 Ti / TiN 复合涂层具有优异的表面质量和良好的耐蚀性,腐蚀电流密度为 6.383 μA / cm² ,是金属 Ti 腐蚀电流密度的 0.6 倍,Ti / TiN 复合涂层显著提高了金属 Ti 的耐蚀性,可为空间燃料电池金属双极板表面改性提供技术支持。     

陶瓷-金属多层涂层不同温度循环冲击损伤特征与演化规律

目的 探讨环境温度对陶瓷-金属多层涂层冲击损伤的影响,获得不同温度条件下涂层的冲击损伤特征,揭示陶瓷-金属涂层在温度与循环冲击共同作用下的失效机理,为多层涂层的设计和使用提供参考.方法 首先使用可调温度的速度控制型单颗粒循环冲击设备,对陶瓷-金属多层涂层在不同温度(35、200、350、500℃)下进行垂直冲击试验.采...     

Oxidation of TiN and Ti(C,N) thin films deposited on titanium substrate

Single-layered TiN and functionally graded Ti(C,N) coatings were magnetron sputtered to a thickness of about 1 μm, and their oxidation behavior was studied. The Ti(C,N) coating oxidized as fast as the TiN coating, forming TiO₂ as an oxide layer. The nitrogen in the TiN and Ti(C,N) coatings tended to escape from the coating via the TiO₂ layer into the air. The carbon in the Ti(C,N) coating also had strong tendency to escape. Even before the complete oxidation of the coatings, the retained coating layer and the Ti-substrate were strongly enriched with oxygen.     

Surface Treatment of Cr12MoV Steel towards Long-Life Cold-Work Dies

With the rapid development of the automobile industry in China, there is an ever-increasing demand for long-life cold working dies used for punching automobile components. However, the full potential of such advanced surface engineering technologies as PVD coatings and duplex surface treatments in cold work dies has not been realized. In the present study, Crl2MoV steel has been surface engineered by single PVD Ti/TiN coating and duplex treatment combining low temperature plasma nitriding (LTPN) with PVD Ti/TiN coatings. The properties of Ti/TiN coatings in terms of surface morphology, microhardness, load bearing capacity, bonding strength and wear resistance were evaluated by microhardness,scratch and wear tests. The experimental results show that PVD Ti/TiN coatings can significantly enhance the surface load bearing capacity (especially for duplex treatments) and wear resistance of Cr12MoV steel by more than one order of magnitude. This can be mainly attributed to the hard and well-adherent PVD Ti/TiN surface coatings and strong mechanical support of the LTPN sublayer. While two-body abrasive wear prevails for uncoated Crl2MoV, the micropolishing action of the counterface dominates in surface engineered material.     

Surface Treatment of Crl2MoV Steel towards Long-Life Cold-Work Dies

SURFACE ENGINEERING technologies such assurface nitriding,carburizing and oxidation,are veryeffective in strengthening surfaces and thus improvingthe wear resistance of tools and dies.In resent years,there is an ever-increasing interest in the developmentof various thin coatings via different physical vapordeposition(PVD)techniques to improve thetribological properties of tools,dies,drills and machineelements(e.g sliding bearings,seals and valves)[l-6].Especially,PVD Ti/TiN coating h…