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.     

TC4钛合金表面冲蚀损伤机理的砂尘粒径依赖效应

在自主搭建气流喷射式冲蚀试验平台上,采用不同粒径的石英砂,对TC4钛合金进行冲蚀试验;利用电子天平、扫描电子显微镜和X-射线应力仪对试件表面冲蚀质量损失率、冲蚀区微观形貌及应力进行检测与分析。结果表明,TC4钛合金表面的冲蚀损伤机理显著依赖于砂尘粒径,并在400μm处发生机理转变。砂尘粒径小于400μm时,TC4钛合金表面冲蚀质量损失率小于0.4 mg/g,其表面损伤形式以犁削、切削、铲削以及点坑等塑性损伤为主;砂尘粒径大于400μm时,TC4钛合金表面在高应变率条件下发生表观韧脆转变,质量损失率突增至0.8 mg/g以上,损伤形式以解理破坏、脆性剥落为主。基于解理断裂的双判据模型,解释了砂尘粒径高于400μm时TC4钛合金表面发生的脆性剥落现象。     

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...     

激光冲击强化对TC4钛合金表面TiN涂层界面结合性能的影响

目的 提高TC4钛合金与TiN涂层的结合强度.方法 通过实验研究的方法探索激光冲击强化对TC4钛合金表面TiN涂层界面结合性能的影响.首先,采用不同激光冲击参数(光斑搭接率、功率密度)对其表面进行前处理.利用Wyko NT 1100型非接触式光学轮廓仪(NCOP)测量TC4钛合金试样的表面几何形貌和粗糙度.利用X350...     

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.     

钛合金表面CrAlTiN单层涂层冲蚀损伤机理研究

目的主要开展钛合金表面制备Cr Al Ti N单层涂层后的撞击实验,探究不同条件下钛合金表面的冲蚀损伤规律,揭示钛合金表面的冲蚀损伤机理。方法采用多弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备Cr Al Ti N单层涂层,并利用空气炮发射速度为300m/s的单个钢珠,在不同角度(30°、45°、60°、90°)下对涂层进行撞击损伤模拟。采用扫描电镜对撞击形貌进行观察,结合撞击表面的元素分析结果,探究钢珠撞击涂层表面的冲蚀损伤机理。结果 90°攻角下,涂层的破损主要由撞击产生的裂纹和涂层表面"液滴"的剥落共同作用引起。45°、30°攻角与60°攻角的撞击相似,损伤主要由两部分组成:一部分是垂直作用产生的裂纹和撞击导致的液滴剥落引起的涂层损伤;另一部分是切向作用引起的摩擦磨损和摩擦过程中产生的温度效应导致的钢珠熔覆。能谱图点44处主要含有Fe2O3、Ti N两种物质,说明该点的涂层已经破坏,并且在切削磨损的同时,钢珠撞击的损伤还伴随着氧化磨损。结论在300m/s的速度下,冲蚀损伤最严重部位为钢珠与涂层接触部位。冲蚀过程中会因温度效应使钢珠熔覆在涂层表面,涂层表面越粗糙,则熔覆物越多。涂层的损伤主要源于垂直分量导致裂纹的萌生和切向的犁削作用。     

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。     

调制周期对TiN/Ti多层膜组织结构和结合力的影响

为了阐明调制周期对薄膜微观组织及薄膜与基体结合力的影响,采用反应磁控溅射在Ti6Al4V基板上交替沉积了Ti层及TiN层制备了TiN/Ti多层膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪和划痕仪测量分析了薄膜的晶体结构、微观组织、硬度以及薄膜与基体之间的结合力。研究结果表明:TiN/Ti多层膜中均存在TiN,Ti和Ti2N 3种相。TiN/Ti多层膜均以柱状晶方式生长,在调制周期较大(5层)时,TiN和Ti层的界面清晰;随着调制周期的减小(层数增加),TiN和Ti层的界面逐渐消失。与单层TiN薄膜相比,多层TiN/Ti薄膜的硬度显著提高;但随着薄膜层数的增加,多层TiN/Ti薄膜硬度略微降低。当调制周期为80nm(30层)时,薄膜与基体的结合力明显提高,达到73N。     

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。     

TC4钛合金表面沉积CrSiN/SiN纳米多层膜在3.5%NaCl溶液中的腐蚀磨损性能

为了研究纳米多层膜的耐腐蚀性能以及腐蚀磨损机理,采用离子源辅助磁控溅射在TC4钛合金表面制备不同调制周期的CrSiN/SiN纳米多层膜。使用扫描电子显微电镜、能谱仪表征涂层的微观结构、腐蚀形貌以及元素分布;使用划痕仪、纳米压痕仪、维氏硬度计测量涂层的膜基结合力、硬度、弹性模量及断裂韧性,采用电化学工作站以及销盘磨损仪测量涂层耐腐蚀性和腐蚀磨损性。结果表明:调制周期为90 nm与360 nm时涂层耐腐蚀性能较好,腐蚀电流密度分别为1.31×10~(-8)A·cm~(-2)和1.20×10~(-8)A·cm~(-2)。此外,调制周期为45nm时,涂层硬度及弹性模量最大,分别为(22.5±0.6)GPa和(226.4±6.3)GPa,且腐蚀磨损率最低,为9.67×10~(-7)mm~3·N~(-1)·m~(-1)。多层膜结构显著改善了TC4钛合金的耐腐蚀及腐蚀磨损性能。     

微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响

采用直流稳压电源,在Na2SiO3、Na3PO4电解液中对TC4钛合金表面进行微弧氧化处理,研究了微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响.结果表明,经微弧氧化的TC4合金高温抗氧化性能明显优于TC4钛合金;在750℃循环氧化100h后,经300V电压微弧氧化60 min的TC4钛合金的氧化增重为7.8 mg/cm2,而未经微弧氧化处理的TC4钛合金氧化增重为30.51 mg/cm2;随着微弧氧化时间增长和电压的增大,微弧氧化TC4钛合金的高温抗氧化性能也增强.     

钛合金表面激光熔覆 h-BN 固体润滑涂层

目的优化钛合金激光熔覆固体润滑涂层的熔覆工艺参数,提高钛合金表面耐磨性能。方法采用Nd∶YAG激光器,分别在高功率和低功率条件下,在TC4钛合金表面制备h-BN固体自润滑涂层。观察分析熔覆陶瓷层的宏观形貌、物相组成、显微组织和硬度,采用摩擦磨损试验仪对熔覆层的摩擦学性能进行研究。结果低激光功率下,熔覆材料上浮流失严重,熔覆层的相成分主要是Ti N,Ti B,Ti B2等硬质相,硬度较高,存在裂纹。高激光功率下,基材的熔化稀释较好地抑制了润滑相h-BN的上浮,减少了溅射损失,发生了包晶反应,生成了单质金属Ti,熔覆层硬度低,但摩擦磨损试验表明,涂层中润滑相h-BN含量的增加使得形成了更好的润滑膜,降低了摩擦系数。结论在输出电流400 A,脉宽5 ms,频率12Hz,扫描速度120 mm/min,搭接率50%~60%的条件下进行激光熔覆,所得熔覆层的表面状态平整,耐摩擦性能最好。