不同后处理对AlCrN涂层结构和性能的影响

电弧离子镀制备的Al Cr N涂层表面存在大量的"大颗粒",导致其具有较高的表面粗糙度,进而降低了涂层的摩擦磨损和切削性能。采用不同后处理方法(如离子刻蚀、湿喷砂、干喷砂和微粒子喷丸)对电弧镀Al Cr N涂层表面进行处理,利用XRD、SEM、OM、摩擦磨损以及切削试验分析不同后处理方式对涂层组织结构、表面形貌、表面粗糙度、摩擦磨损以及切削性能的影响。结果显示:不同后处理方法均可有效清除Al Cr N涂层表面颗粒,其中湿喷砂、微粒子喷丸和干喷砂对涂层表面颗粒数目去除效果较好,"大颗粒"分别降低了91.1%、88.5%和86.9%,离子刻蚀后处理次之,颗粒数目降低了21.0%。经处理的Al Cr N涂层的XRD图谱与未处理的涂层相比没有明显变化,均为固溶(Al,Cr) N相,但其衍射峰均向低角度偏移。经过后处理涂层的摩擦因数相比于未处理的涂层均有不同程度降低,涂层磨损方式为磨粒磨损并伴有少量的氧化磨损。Al Cr N涂层刀具经过后处理工艺处理后,切削寿命均有不同程度提高,与未处理涂层刀具相比较经微粒子喷丸、干喷砂、离子刻、湿喷砂后处理的涂层刀具切削寿命分别提高了30%、40%、40%和60%。     

热喷涂基体表面前处理技术的研究进展

热喷涂涂层与基体机械咬合的结合机理决定了基体表面前处理是热喷涂涂层中非常重要的处理工艺。文中概述了当前广泛应用的喷砂处理的工艺特点,指出砂粒易在基体表面镶嵌和对基体造成损伤是喷砂工艺的主要缺点,讨论了喷砂对高温合金单晶材料和超高强钢疲劳性能的影响,研究了软质基体表面超音速火焰喷涂WC涂层的免喷砂工艺。同时介绍了近年来其他热喷涂基体表面前处理方面的研究热点,包括高压水射流处理技术、机械粗化技术以及激光表面前处理,并重点阐述了其基本原理、特点及应用情况。     

钎焊金刚石耐磨涂层制备及其磨损性能

为提高农机刃具类零件的抗磨粒磨损性能,提出一种钎焊金刚石耐磨涂层制备方法,在Q235钢基体上制备了不同粒径及镀覆状态的金刚石耐磨涂层,并与65Mn钢的摩擦磨损和抗磨粒磨损性能进行对比。采用扫描电镜(SEM)对涂层表面、涂层与钢基体界面、涂层磨损后的表面微观形貌进行表征,并分析涂层的磨损规律及机理。结果表明:钎焊金刚石涂层与钢基体结合良好,金刚石在涂层中均匀分布,涂层厚度约370 μm。钎焊金刚石涂层的耐磨性优于65Mn钢的,且随着金刚石粒径减小钎焊金刚石涂层的摩擦系数降低,涂层的耐磨性增大;钎焊镀钨金刚石涂层的抗摩擦磨损和磨粒磨损性能均高于钎焊未镀覆金刚石涂层的。      

不同成分CrMoN涂层对模具钢表面性能的影响

采用非平衡磁控溅射方法在H13钢和SDC99钢表面制备不同Mo含量的CrMoN涂层,采用HX-1000型显微硬度计、V-LUX1000型原位纳米力学测试系统测定涂层的显微硬度和纳米硬度,并通过划痕和摩擦磨损试验考察了涂层与基体的结合强度及其摩擦磨损性能。结果表明,不同Mo含量的CrMoN涂层均能明显地提高基体的承载能力和耐磨性能,其中Mo含量为20.72at%的涂层承载能力、同基体的结合力以及耐磨损性均最好,基体硬度更高的SDC99钢表面涂层性能比H13钢的更好。     

基体表面粗糙度对涂层结合强度的影响

采用不同粒度的喷砂材料对基体表面进行喷砂粗化预处理,研究基体表面粗糙度的变化及其对等离子涂层和电弧涂层结合强度的影响.结果发现,基体表面粗糙程度对涂层与基体的结合强度有很大的影响.对于等离子喷涂,表面粗糙度应该存在一个最佳范围,并不是表面粗糙度越大,涂层与基体的结合就越好.喷涂方法不同,粗糙度的变化对涂层结合强度的影响不同.     

表面机械处理对5×××铝合金/涂层体系的结合强度和晶间腐蚀性能的影响

采用金相显微镜、电化学交流阻抗和扫描电镜研究表面机械处理(喷砂和打磨)对5×××铝合金/涂层体系的结合强度及晶间腐蚀性能的影响。结果表明:试样经表面机械处理后,基体表面的清洁度提高,粗糙度增大,涂层与基体的结合强度显著提高;其中表面喷砂后,基体与涂层结合强度提高198.7%;表面打磨后,基体与涂层结合强度提高167.4%;表面机械处理后,基体的耐晶间腐蚀能力明显降低,但合金/涂层体系的耐晶间腐蚀能力显著提高;表面喷砂后,合金/涂层体系与基体的耐蚀性都强于表面打磨后的耐蚀性。     

硬质合金基体微织构对TiAlN涂层摩擦性能的影响

采用光纤激光在硬质合金表面进行了激光微织构工艺(不同微凹坑直径、深度及织构密度),利用PVD法对微织构后的硬质合金表面进行TiAlN涂层沉积。在不同速度下(0.02m/s和0.04m/s)进行了摩擦磨损实验,对比分析了不同织构的摩擦系数,利用扫描电镜研究了表面磨损形貌,电子天平测量磨损量,并进行了磨损机理分析。结果表明,基体微织构后涂层表面的摩擦系数比基体无织构的摩擦系数稳定,微织构直径对基体涂层的摩擦磨损性能影响较大。基体微织构后的涂层具有较好的减摩效果。     

机械加工刀具的切削形貌与性能研究

以SKD12冷作模具钢为工件材料,对比分析了Al Ti N+Si3N4(M01)、Ti Si N(M02)和Al Ti N(M03)3种涂层刀具的切削性能,并用扫描电镜观察了不同涂层刀具的磨损形貌以及局部区域能谱分析。结果表明,3种涂层材料都可以提高机械加工刀具的抗磨损性能;M01涂层刀具耐磨损性能提高的关键是改善基体材料的性能以及对刀刃进行强韧化处理;M02涂层刀具的耐磨损性能的改善主要需要改善抗粘结性能、摩擦和润滑性能;对于M03涂层刀具而言,改善涂层的冲击韧度以及与基体的结合强度是提高耐磨损性能的关键。     

AlCrN涂层的滑动摩擦学特性研究

采用CETR UMT-2型摩擦磨损试验机,对多弧离子镀制备的AlCrN涂层进行了往复滑动摩擦试验研究.以CrN涂层作为对比,采用台阶仪、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)分析了涂层的磨痕,探讨了AlCrN涂层的磨损机理.结果表明:AlCrN涂层的摩擦因数平稳,磨损表面极其光滑,表面呈现抛光效应;AlCrN涂层拥有较高硬度和良好的排屑能力,因此在高载荷下具有比CrN涂层更好的抗磨损性能.     

表面喷涂对不锈钢零件耐磨性能的影响

在不锈钢表面采用超音速火焰喷涂了WC-10Co-4Cr涂层,并对喷涂粉末和涂层的显微形貌、物相组成进行了表征,研究了基体与涂层的耐磨性能。结果表明,不锈钢表面涂层与基体以机械结合为主、冶金结合为辅,基体与涂层间过渡良好,未发现气孔或者微裂纹缺陷;原始喷涂粉末的物相组成为WC、Co和少量Co3W3C相,经过超音速火焰喷涂处理后,涂层的物相组成为WC、Co6W6C和W2C相;经过超音速火焰喷涂处理后,涂层的摩擦磨损性能明显优于不锈钢基体,这主要与致密的涂层硬度较高、抗摩擦磨损能力更强有关。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

Sliding wear characteristics of solid lubricant coating on titanium alloy surface modified by laser texturing and ternary hard coatings

Titanium alloys are poor in wear resistance and it is not suitable under sliding conditions even with lubrication because of its severe adhesive wear tendency. The surface modifications through texturing and surface coating were used to enhance the surface properties of the titanium alloy substrate. Hard and wear resistant coatings such as TiAlN and AlCrN were applied over textured titanium alloy surfaces with chromium as interlayer. To improve the friction and wear resisting performance of hard coatings further, solid lubricant, molybdenum disulphide (MoS2), was deposited on dimples made over hard coatings. Unidirectional sliding wear tests were performed with pin on disc contact geometry, to evaluate the tribological performance of coated substrates. The tests were performed under three different normal loads for a period of 40 min at sliding velocity of 2 m/s. The tribological behaviours of multi-layer coatings such as coating structure, friction coefficient and specific wear rate were investigated and analyzed. The lower friction coefficient of approximately 0.1 was found at the early sliding stage, which reduces the material transfer and increases the wear life. Although, the friction coefficient increased to high values after MoS₂ coating was partially removed, substrate was still protected against wear by underlying hard composite layer.     

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。