海洋耐蚀耐磨涂层研究进展

海工装备服役过程中关键件处于腐蚀-磨损交互作用的复杂环境,致使其表面损伤严重,影响设备运行的可靠性和安全性。对工件表面进行强化形成结合牢固的防护涂层,是解决这一难题的有效途径。本论文综述了近几年来海洋环境耐磨与耐蚀涂层材料与制备技术、力-电耦合损伤机制、损伤评价方法等方面的研究进展,以及高通量技术等新手段的运用。总结了有关调控涂层组织和性能、改善残余应力、延长服役寿命等方向的发展趋势,并展望了海洋耐蚀耐磨技术未来发展方向。     

317L/FH40复合板在不同温度下摩擦-腐蚀耦合作用机理研究

针对在极地环境使用的特殊海水-海冰摩擦-腐蚀耦合作用环境,使用UMT-2型多功能摩擦磨损实验机分别测试了新型FH40级低温钢板、抗海水腐蚀性能优异的317L不锈钢以及两种钢板焊接部位在不同条件下的往复摩擦-腐蚀耦合行为;使用金相显微镜、白光干涉仪以及扫描电子显微镜表征了钢样的显微组织形貌和磨痕形貌。结果表明：随着环境温度从20℃降低到-20℃,FH40钢及焊缝处的摩擦系数和磨损量都明显增加,而317L不锈钢变化不大;值得关注的是,在海水环境中进行摩擦测试时,可见317L不锈钢的整体损失量远远低于FH40钢及焊缝处的,证明317L不锈钢可应用于极地破冰船船体外表面。另外,使用电化学阻抗、极化技术测试了钢材耐蚀性能,以期确定低温环境对复合钢板耐蚀性的影响。结果证明复合板焊缝处在常温及低温条件下,腐蚀速率皆低于FH40低温钢,两种钢板复合仍保持良好耐蚀性。     

CoCrWSi涂层高温冲击磨粒磨损行为*

CoCrWSi涂层由于其优异的耐高温氧化性能,有望成为汽轮机零部件的防护涂层之一。但是关于该涂层在汽轮机真实服役环境中的高温冲击磨粒磨损行为却鲜有报道。以汽轮机阀门部件材料SA-182F92为基体,制备CoCrWSi防护涂层。利用自研的高温沙粒冲击试验机,研究CoCrWSi涂层在沙蚀环境中的高温冲击磨损行为,通过冲击动力学响应和磨痕形貌来评价该涂层的耐冲击磨粒磨损性能。结果表明：CoCrWSi涂层具有耐高温冲击磨粒磨损性能,具体表现为相同冲击次数下,CoCrWSi涂层样品的磨损面积、磨损体积和最大磨痕深度比基体样品小数倍,CoCrWSi涂层样品的能量吸收量和吸收率均小于基体样品。在高温沙粒环境下,冲击的过程中会有大量的沙粒嵌入磨痕表面,沙粒具有的不规则棱角会切削磨痕表面,进而磨痕表面可以观察到大量犁沟。在高温沙粒环境下,基体与涂层的磨损机理为塑性变形和磨粒磨损。不同的是,软化的基体在冲击区域边缘有明显的隆起,发生更严重的塑性变形;而涂层在冲击过程中虽没有完全剥落,但涂层内部萌生了微裂纹,磨痕表面也有部分涂层剥落。研究结果是在模拟汽轮机真实服役状况下得出的,试验参数如加热温度、沙粒（杂质...     

AlCrBSiN复合涂层制备及高速干式切削性能*

针对 AlCrSiN 涂层难以满足高速干式切削加工的需求,通过添加 B 元素,利用多弧离子镀技术在硬质合金刀具表面制备高速干式切削性能优异的 AlCrBSiN 涂层。采用 X 射线衍射仪、扫描电镜、高温退火炉、测力仪以及数控车床表征涂层的结构、高温性能及高速干式切削性能。结果表明,不同 B 含量（0 at.%, 0.64 at.%和 1.03 at.%）的 AlCrBSiN 涂层中的相结构均为固溶的（Al,Cr）N 相,B 和 Si 元素主要以非晶 Si₃N₄和 BN 的形式存在,B 和 Si 元素均能够起到细化晶粒的作用;B5 涂层（0.64 at.%）显示出较好的结合强度（L_c2值为 52.8 N）,而 B10 涂层（1.03 at.%）的硬度最高（3 618±71 HK_0.05）;高温退火试验显示 B5 涂层具有最佳的高温稳定性能,而高速干式车削结果进一步表明 B5 涂层车刀切削力最小,切削寿命最高 （17 min）,与未添加 B 的 AlCrSiN 相比提高了 21%。涂层刀具后刀面的主要磨损机理为磨粒磨损和粘结磨损,前刀面的主要磨损机理为氧化磨损、磨粒磨损和粘结磨损。B 元素可以提高 AlCrBSiN 涂层刀具的高温稳定性能和高速干式切削性能。所制备的 AlCrBSiN 涂层能有效提高刀具表面的高温和抗切削磨损性能,在高速干式切削领域具有较好的应用情景。     

15-5PH不锈钢表面类石墨碳基多层膜结构设计及摩擦学行为

针对马氏体沉淀硬化不锈钢15-5PH(0Cr15Ni5Cu4Nb)在海水环境中易腐蚀磨损的问题,采用直流磁控溅射的方法在15-5PH钢样片上制备调制周期分别为940、375和234nm的掺杂Cr的类石墨碳基多层膜（分别标记为Cr/GLC-S1、Cr/GLC-S2和Cr/GLC-S3）,采用扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱仪（Raman）、MFT-5000多功能摩擦磨损试验机等仪器设备系统考察三种类石墨碳基多层薄膜的结构及摩擦学性能。研究结果表明：不同调制周期的类石墨多层膜表面均呈现“菜花状”形貌,随着调制周期的减小,“菜花状”颗粒逐渐减小,膜层变得致密;sp2键含量逐渐增大,石墨化程度加剧,机械性能更加优异。在干摩擦条件下,调制周期适中的Cr/GLC-S2薄膜具有良好的减摩耐磨性能,磨损形式以磨粒磨损为主,而调制周期较大的Cr/GLC-S1和调制周期较小的Cr/GLC-S3薄膜,在高载荷下均发生不同程度的脆性剥落,导致其摩擦学性能劣化。在人工海水环境中,Cr/GLC-S1和Cr/GLC-S2薄膜在中低载荷下的摩擦学性能较好,磨损形式仍以磨粒磨损为主,在高载荷下三种多层膜均发生不同程度...     

贝氏体等温淬火对Dievar热作模具钢高温摩擦磨损性能的影响

利用贝氏体等温淬火工艺在Dievar钢中制备不同体积比例的贝/马复相微观组织,通过对显微组织、宏观/微观硬度、磨面形貌、磨屑和磨损率的分析进一步研究了贝/马复相Dievar热作模具钢的高温摩擦磨损性能并探讨其磨损机制。结果表明,Dievar钢中下贝氏体含量随等温淬火保温时间的延长而增加,其中保温3、5、10 min时下贝氏体体积占比分别为32%、45%、63%。贝/马复相试样相比于传统油淬试样具有更高的回火抗性,不同等温试样硬度值均高于传统油淬试样硬度值。同等磨损条件下,等温淬火Dievar钢相较于常规热处理Dievar钢耐磨性更加优异。在400～600℃高温摩擦磨损试验条件下,Dievar钢表面氧化物为Fe₂O₃和Fe₃O₄。Dievar钢400～500℃高温磨损机制为磨粒-轻微氧化磨损;随着温度升高,氧化物颗粒尺寸变大,磨粒磨损加剧。当温度升至600℃时,常规油淬试样磨损机制为磨粒-氧化磨损,以磨粒磨损为主;而等温淬火试样磨损机制则以氧化磨损为主。     

激光熔覆TC4/Inconel 625/316L不锈钢梯度材料组织与性能

为了提高不锈钢工件的综合性能,采用激光熔覆工艺在不锈钢上制备TC4熔覆层、Inconel 625熔覆层作为过渡层,通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪、硬度计、摩擦磨损和电化学测试等研究了TC4熔覆层微观组织、显微硬度、电化学性能和摩擦磨损性能.结果表明,熔覆层成形质量良好且具有均匀致密的微观组织.熔覆过程中,由于元素扩散与高温作用发生的共晶反应,熔覆层中生成CrNi₂和Ti₂Ni增强相,大大提升了熔覆层的硬度与耐磨性;TC4熔覆层磨损机制主要为磨粒磨损与氧化磨损,耐磨性优于基体;TC4熔覆层的腐蚀电流密度小于基体,耐蚀性显著高于基体.     

Er对Al-Zn-Mg合金微观组织与摩擦性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)和材料表面综合测试仪研究了Er对Al-Zn-Mg合金微观组织和力学性能的影响,并研究其在不同载荷下的摩擦磨损行为。结果表明,添加Er后合金伸长率提高约30%,晶粒尺寸明显细化,平均晶粒尺寸减小约68%。合金在摩擦过程中经历了摩擦副磨合和稳定磨损两个阶段,随着载荷的增大,摩擦因数曲线波动增大。O在摩擦层大量富集,证明了氧化磨损机制的存在。加载载荷为30 N时为磨粒磨损、疲劳磨损以及粘着磨损混合作用机制;加载载荷为70 N时磨粒磨损加剧并伴随疲劳磨损,且添加Er可以降低合金表面的剥落趋势,从而减少磨损。     

铜表面纳尺度沟槽织构的摩擦学性能

目的 通过分子动力学（MD）模拟,揭示了纳尺度沟槽织构对单晶铜摩擦磨损的影响机理,为设计高耐磨超声电机（USM）定子材料提供理论指导方法 建立了金刚石-铜摩擦配副模型,首先研究了金刚石下压深度对铜基体摩擦学性能的影响,随后重点研究了铜表面沟槽织构的角度、深度、宽度对摩擦学性能的影响。通过提取摩擦过程中的摩擦因数、磨损原子数目、摩擦界面温度、体系能量、界面间相互作用力以及观察摩擦前后界面形貌变化,从原子尺度揭示沟槽织构对铜的减摩机理。结果 对于无织构铜表面,摩擦因数和磨损率等性能参数随着下压深度的增加而增加;有沟槽织构的铜表面,摩擦因数和磨损率相较于无沟槽织构有显著下降。在沟槽织构与摩擦方向成90°时,效果最佳,摩擦因数下降25%左右,磨损率下降50%。同时,摩擦因数和磨损率还随沟槽深度和宽度的增大而减小。其主要原因是：沟槽织构的引入,使得在金刚石和铜基体的摩擦过程中相互作用的原子数量明显减少,相互犁削和接触原子的数量也减少,从而导致摩擦因数、磨损率下降。结论 在铜表面进行沟槽织构化处理能够减少摩擦过程中的磨损,提高铜基体的耐磨性能。     

核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能

目的 研究核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能。方法 采用自制的切向微动磨损试验设备,在4种环境(温室RT/大气、RT/水、450℃/大气和450℃/液态钠)下对2.25Cr-1Mo钢进行了切向微动磨损试验。试验参数为：法向载荷20 N,运动频率5 Hz,位移幅值50μm,循环次数10⁵和2×10⁵。试验前,采用维氏硬度仪测量了2.25Cr-1Mo钢在室温和450℃高温下的硬度。试验后,采用Bruker白光干涉显微镜测量了磨痕的三维形貌并获得了截面轮廓和磨损量。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析磨痕表面和横截面的微观形貌以及摩擦化学反应。结果 2.25Cr-1Mo钢在不同环境下表现出不同的磨损性能。450℃液态钠环境下的磨损量最大,大于450℃和室温大气环境下的磨损量;室温水环境下的磨损最小。经过10⁵微动循环后,2.25Cr-1Mo钢在450℃液态钠和室温水环境下表现出最大和最小的磨损率,分别为4.17×10^-6 mm³/(N·m)和0.32×...