高能离子源清洗对AlCrN刀具涂层结构及性能的影响

采用自主研发的离子源增强多弧离子镀设备,研究涂层沉积前不同清洗工艺对基材表面粗糙度以及所制备的AlCrN涂层的表面形貌、硬度、膜基结合力、摩擦磨损和切削性能的影响。研究结果表明,高能Ar⁺清洗可以更有效清洁基材表面。与传统弧源清洗技术相比,经高能离子源清洗后的基体表面粗糙度降低,沉积态涂层的表面粗糙度更低。相比于传统弧源清洗工艺,高能Ar⁺清洗可以显著提高膜基结合强度,达到48.7 N,摩擦因数和磨损率均降低,涂层刀具寿命提高了3倍。     

304不锈钢表面磁控溅射制备Cr-C涂层的组织与耐高温电化学腐蚀性能

采用磁控溅射技术在304不锈钢集流体表面制备Cr-C涂层,研究了该涂层的微观形貌、物相组成以及在350℃熔融多硫化钠中的耐电化学腐蚀性能。结果表明:制备得到的Cr-C涂层均匀致密,由Cr₃C₂,Cr₇C₃和Cr相组成;在熔融多硫化钠中腐蚀120 h后,Cr-C涂层表面物相包括Cr₃C₂、Cr₇C₃、NaCrS₂和Cr₂S₃;Cr-C涂层电阻随着腐蚀时间的延长而增大,腐蚀120 h时可达1 454Ω·cm²,表明该涂层能够有效防止熔融多硫化钠扩散至304不锈钢基体表面,从而有效保护基体免受高温熔盐腐蚀。     

超音速火焰喷涂CoCrAlSiY合金涂层的摩擦磨损性能

采用超音速火焰喷涂技术制备CoCrAlSiY合金涂层,研究了该涂层的微观结构、力学性能,以及在不同载荷(2,5,8 N)下的摩擦磨损性能。结果表明：CoCrAlSiY合金涂层主要由CoCr₂O₄、CoAl和α-Al₂O₃相组成,各物相分布均匀,涂层致密;涂层的硬度为(7.41±0.16) GPa,与其他同类合金涂层硬度相近;在2,5,8 N载荷下摩擦磨损时,CoCrAlSiY合金涂层的平均摩擦因数分别为0.33,0.24,0.22,对应的磨损率分别为3.52×10^-5,4.85×10^-5,5.58×10^-5 mm³·N^-1·m^-1;低载荷(2 N)下的磨损机制主要是黏着磨损和磨粒磨损,高载荷(5,8 N)下涂层发生脆性断裂而大块剥落;在摩擦磨损过程中涂层表面形成氧化物,特别是在5 N和8 N载荷下,磨损表面出现大量α-Al₂O₃     

锑和铝元素对耐候钢在模拟工业大气环境下耐腐蚀性能的影响

对自制的锑、铝复合添加Cr-Ni-Cu系耐候钢(1^#)、含铝Cr-Ni-Cu系耐候钢(2^#),市购S450AW含锑耐候钢、Q450EWR1高铬耐候钢以及Q355B低合金钢进行周期浸润腐蚀试验,对比研究了5种钢的耐腐蚀性能以及表面锈层的结构和物相组成,分析了锑和铝元素对耐腐蚀性能的影响。结果表明：4种耐候钢表面锈层均含有高含量α-FeOOH、Fe₃O₄和α-Fe₂O₃等具有保护作用的物相,耐腐蚀性能均优于Q355B低合金钢;1^#钢内锈层出现硅、铬、铜、锑、铝元素的富集,2^#钢内锈层出现硅、铝元素的富集,这些元素的富集提高了内锈层的耐腐蚀性能;1^#钢和2^#钢、S450AW钢的耐腐蚀性能相近,说明复合添加锑和铝可以在保证耐候钢良好耐腐蚀性能的同时减少铝、锑、铬元素的单独添加量。     

基体表面纳织构化对AlCrN涂层刀具界面结合强度影响的研究

为了探讨基体表面不同预处理工艺对涂层界面结合强度的影响,利用研磨抛光、喷砂和织构化等三种不同的预处理工艺对基体表面进行处理后涂覆Al Cr N涂层,制备出三种不同的Al Cr N涂层试样。对试样进行划痕试验,研究并比较各试样的界面结合强度。研究结果表明:与研磨抛光和喷砂两种预处理方式相比,织构化工艺能在基体表面有效加工出规则、连续的纹理,增加基体表面的粗糙度,有利于增加涂层与基体间的界面结合强度。     

送粉速率对等离子喷涂Mo2NiB2基金属陶瓷涂层性能的影响

采用大气等离子喷涂法在Q235钢基体表面制备Mo₂NiB₂基金属陶瓷涂层,研究了送粉速率(40～80 g·min^-1)对Mo₂NiB₂涂层硬度、结合强度、耐腐蚀性能的影响。结果表明：不同送粉速率下Mo₂NiB₂涂层主要由Mo₂NiB₂陶瓷相、MoNi₄合金相和MoB₂硬质相组成,在送粉速率为60 g·min^-1时涂层质量最佳;随着送粉速率的增大,Mo₂NiB₂涂层的硬度和结合强度先提高后下降,且均在送粉速率为60 g·min^-1时达到最大,分别为2 107 HV,29.23 MPa; Mo₂NiB₂涂层的耐腐蚀性能随送粉速率的增大而增强,在送粉速率为80 g·min^-1时达到最佳。     

VC添加量对激光熔覆Fe50Mn30Cr10Co10高熵合金涂层组织和性能的影响

采用激光熔覆工艺在Q235钢板表面制备Fe_50-xMn₃₀Cr₁₀Co₁₀(VC)_x(x=0,1,3,原子分数/%)高熵合金涂层，研究了VC添加量对涂层微观形貌、物相组成、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：3种VC添加量的高熵合金涂层与基体均结合良好，涂层中仅存在较少的孔洞等缺陷，其物相均为面心立方结构的固溶相；随着VC添加量的增加，高熵合金涂层的组织发生细化，显微硬度增大；VC的添加能同时提高Fe₅₀Mn₃₀Cr₁₀Co₁₀高熵合金涂层的耐磨性能和耐腐蚀性能，并且VC添加量越多，耐磨性能和耐腐蚀性能越好。     

纯钛表面FeCoNiCr0.5Al0.8高熵合金脉冲激光熔覆层的显微组织和性能

采用脉冲激光熔覆技术在TA2工业纯钛表面制备了FeCoNiCr_0.5Al_0.8高熵合金熔覆层,研究了熔覆层的显微组织、物相组成、硬度和高温抗氧化性能。结果表明：熔覆层和基体间形成良好的冶金结合,熔覆层中不存在裂纹、气孔等缺陷,熔合界面较平直;熔覆层表面熔池边界线处为细小等轴晶,中部为树枝晶,熔覆层截面组织为层状分布的细晶;熔覆层由简单面心立方结构Ti₂Ni和AlCTi₂组成;熔覆层的平均硬度为761.23 HV,是基体硬度的4倍以上;熔覆层具备良好的高温抗氧化性能,在800℃氧化120 h后的单位面积质量增加量为17 mg·cm^-2,仅约为基体的1/3。     

不同温度下沉积TiN/TiCN/Al_2O_3/TiN复合涂层的物相结构和性能

采用高温化学气相沉积技术,于1 000～1 100℃在WC-6%Co硬质合金基体表面制备了TiN/TiCN/Al2O3/TiN复合陶瓷涂层,研究了复合涂层的物相、表面和横截面形貌、显微硬度、界面结合强度和耐磨损性能。结果表明:沉积温度为1 000℃时,复合涂层中Al2O3层为κ相和α相共存;当沉积温度升至1 050℃和1 100℃时,Al2O3层为单一的α相;1 050℃下沉积复合涂层的表面平整、结构致密,1 000℃沉积复合涂层中的TiCN层存在少量孔洞,1 100℃下沉积复合涂层中TiCN层的柱状晶沿某一方向生长比较明显,较高的沉积温度加速了钛元素向Al2O3层的外扩散;1 050℃下沉积复合涂层的显微硬度最大,为1 828HV,该涂层的耐磨损性能最佳,其与基体间的结合强度最高,临界载荷为135.2N。     

不同渗氮时间下二段式真空渗氮后PCrNi3Mo钢表层的显微组织与性能

采用二段式真空渗氮工艺对调质态PCrNi3Mo钢进行表面改性处理,在渗氮温度及氮势相同的条件下,对比研究了强渗阶段和扩散阶段时间均为6 h以及强渗阶段时间为4 h和扩散阶段时间为8 h条件下试验钢表层的组织、物相组成、硬度及耐磨性能。结果表明:渗氮后试验钢表层物相为ε-Fe_2-3N相,2种渗氮时间下渗氮层的厚度分别为0.6,0.7 mm左右,表面硬度分别为660.3,581.3 HV,显著高于基体的360 HV;前者渗氮时间下渗氮层中化合物层致密性较差,微孔较多,渗氮层硬度过渡良好,在距表面距离大于0.3 mm时的硬度较高,渗氮层的摩擦因数和磨损量较低,磨损表面犁沟较浅,耐磨性能较好。     

镁合金表面再制造AlCoTi非晶涂层组织及力学性能研究

采用高速电弧喷涂技术在AZ91镁合金表面制备了高非晶含量AlCoTi涂层,研究了涂层显微组织、力学性能、摩擦磨损及电化学腐蚀性能。结果表明,涂层呈典型的层状结构,其结构紧凑,与镁合金基体结合良好,孔隙率约为1.63%。涂层的组织主要由非晶相、纳米结构的α-Al和Al3Ti相组成。相比于AZ91镁合金,AlCoTi非晶涂层具有更高的显微硬度和耐磨性能：涂层的显微硬度约为511.3Hv0.1,远高于AZ91镁合金(62Hv0.1);在相同的磨损条件下,非晶涂层相对耐磨性约为晶体结构AZ91镁合金的3.9倍,其主要磨损机制为脆性剥落。在0.6 mol/L NaCl溶液中,非晶涂层自腐蚀电位、自腐蚀电流密度和电荷转移电阻分别为-0.696V、0.741 8μA/cm²和33 660?·cm²,明显优于AZ91镁合金的-1.392V、769.3μA/cm²和1 914?·cm²。通过对镁合金表面不同防护涂层的电化学腐蚀性能和显微硬度比较分析,本研究为镁合金提供一种低成本、高性能的涂层材料及再制造关键技术。     

基体表面粗糙度对磁控溅射TiN涂层界面结合力的影响

利用球与平面的赫兹接触应力分布的经验修正公式∧［1］,对磁控溅处理前的基体表面粗糙度对沉积层和基体的界面结合力进行了研究,并和其他涂层界面结合力的测量方法方法进行了比较。结果表明：基体表面粗糙度对界面结合力有很大影响,表面粗糙度的改善有利于TiN层/基体的界面结合力的提高,同时改善了TiN层的摩擦学性能。     

金属复合CrN涂层的磨损性能及应用研究

为取代M2高速钢,降低空调压缩机叶片生产成本,在GCr15基体上分别沉积CrMoN和CrAlTiN涂层,采用XRD分析涂层的相组成,在MM-200试验机上对其进行摩擦磨损实验,用三维超景深显微镜测量其磨痕面积;并用SEM观察磨损后的磨痕形貌。结果表明:制备的CrAlTiN和CrMoN涂层都能在一定程度上提高基体GCr15的耐磨性能,其中CrMoN涂层是以单一的CrN面心立方结构存在,Mo起到置换固溶强化的作用,因此耐磨效果更明显;通过合理控制涂层厚度和提高膜基结合力,GCr15+CrMoN涂层很有希望能取代传统的空调压缩机叶片材料M2高速钢。     

2m大口径RB-SiC反射镜的磁控溅射改性

为了消除RB-SiC反射镜直接抛光后表面存在的微观缺陷,降低抛光后表面的粗糙度,提高表面质量,针对大口径SiC的特性,选择Si作为改性材料,利用磁控溅射技术对2m量级RB-SiC基底进行了表面改性。在自主研发的Φ3.2m的磁控溅射镀膜机上进行基底镀膜,利用计算机控制光学成型法对SiC基底进行了抛光改性。实验结果表明,改性层厚度达到15μm;在直径2.04m范围内,膜层厚度均匀性优于±2.5%;表面粗糙度由直接抛光的5.64nm(RMS)降低到0.78nm。由此说明磁控溅射技术能够用于大口径RB-SiC基底的表面改性,并且改性后大口径RB-SiC的性能可以满足高质量光学系统的要求。     

Effects of Thickness and Roughness Variations on the Abrasiveness of a Thin Boron Carbide Coating

Boron carbide (B₄C) is well known for its high hardness and favorable wear resistant properties. In dry sliding wear contact, it polishes its mating surface and provides fatigue resistance to coated parts. Employing such run-in coatings demands a thorough understanding of the parameters which directly influence the changes that occur in the coating abrasiveness during the polishing process. In this study, the effects of the overall coating thickness, overall coating roughness, substrate roughness and substrate roughness orientation are examined in connection with abrasiveness. The coating thickness only influences the initial abrasiveness, whereas the coating roughness drastically affects the rate at which the abrasiveness decreases. Finally, no significant changes are observed in the abrasiveness due to substrate roughness or substrate roughness orientation effects. This work provides further insight into the design of a finite-life run-in coating.     

Comparative wear in titanium diboride coatings on steel using high energy density processes

A comparison between the tribological properties of titanium diboride (TiB₂) deposited using high energy density processes such as Pulse Electrode Surfacing (PES) and Laser Surface Engineering (LSE) has been made. The wear resistance of TiB₂ coated surface is higher than AISI 1010 steel. The wear resistance of the LSE coated TiB₂ coating is even better than that of the PES deposited TiB₂ coating. Coefficient of friction values for LSE coated TiB₂ coating (μ=0.6) are lower than PES deposited TiB₂ coating (μ=0.7). Wear occurs in PES deposited TiB₂ coating by brittle fracture and attrition type mechanisms whereas mixed adhesive–abrasive wear in LSE deposited TiB₂ coating occurs by localized plastic deformation of the soft matrix phase Fe from a “composite” layer on the surface.     

纳米Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层及其抗高温腐蚀性能

制备纳米金属间化合物Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层并测试其抗腐蚀性能,为利用热喷涂技术治理火电站易损部件腐蚀问题提供有效手段。运用自主研发的造粒系统,成功对高活性的纳米Fe-Al/Cr_3C_2复合喷涂粉体实施团聚造粒;运用高速火焰喷涂方法,在结构材料表面制备出了纳米Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层,对比测试了微米、纳米Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层的抗高温腐蚀性能,分别采用抛物线型和幂函数型对腐蚀动力学曲线进行拟合。纳米Fe-Al/Cr_3C_2复合喷涂材料的粒径由原始的50nm团聚到最终的114~178μm,团聚后的纳米颗粒呈圆形或椭圆形,各成分比例保持原始比例,团聚颗粒内部仍然保持纳米粉体状态;纳米Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层表面致密、铺展均匀,截面元素过渡平缓、层片细小;运用幂函数方程对腐蚀动力学曲线的拟合效果更好。通过对腐蚀动力学拟合方程进行求导运算可推算出各复合涂层的腐蚀速率。团聚后的纳米颗粒满足热喷涂材料的相关要求,纳米Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层的抗高温腐蚀性能显著高于微米Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层。纳米Al、Cr优先氧化生成具有保护作用的氧化膜机理解释了纳米涂层抗高温腐蚀性能优异的原因。     

超声辅助电火花粉末沉积WC-Ni金属陶瓷涂层的微观结构及摩擦学性能

针对传统电火花沉积工艺中工具电极预制成本高、工艺复杂、材料选择范围受限等问题,提出了一种超声辅助电火花粉末沉积（Ultrasonic-assisted electro-spark powder deposition,UEPD）的新方法。利用UEPD工艺成功地在316L不锈钢基材上制备了WC-Ni金属陶瓷涂层。所制备的WC-Ni金属陶瓷涂层的厚度为89~159 μm,表面粗糙度约为3.672 μm,并且与基材呈现良好的冶金结合。超声振动的引入能够有效改善涂层的成形质量。涂层的微观组织主要由亚微米级细小枝晶组成,主要物相包括FeNi、Cr₃Ni、WC、W₂C、Cr₂₃C₆和Cr₃C₂等。这些细小的晶粒和强化相使金属陶瓷涂层的硬度明显增加,平均硬度达到980.68 HV,约为基材的4.1倍。摩擦磨损性能测试表明,金属陶瓷涂层的磨损率相比基材和不含WC的Ni基合金涂层分别降低了50.7%和37.7%,并且还表现出明显低于二者的摩擦因数。WC-Ni金属陶瓷涂层的主要磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损,其中高硬度表面和具有颗粒流润滑效果的磨屑层是金属陶瓷涂层实现高耐磨、低摩擦的主要原因。UEPD工艺相比于传统的电火花沉积工艺省却了复杂的工具电极预制过程,其工艺更简单,成本更低廉、材料选择更广泛,并且所制备的涂层也表现出良好的成形质量和性能。这为电火花沉积技术的发展提供了一种新的思路。     

铝合金表面激光沉积Al0.8FeCoNiCrCux高熵合金组织与耐蚀性能

为增强5XXX系铝合金表面的耐蚀性能,利用脉冲激光沉积技术制备了Al0.8FeCoNiCrCux高熵合金(HEA)涂层。利用XRD,SEM和电化学工作站分析了Al0.8FeCoNiCrCux高熵合金的相结构、微观组织和耐腐蚀性能。结果表明随着Cu含量增加,合金的相结构由BCC1和BCC2相转变为BCC1,BCC2和FCC相;当=0时,Al0.8FeCoNiCrCux涂层沿晶间出现裂纹,x=0.25时,涂层裂纹消失,并且在晶间出现了浅色组织,随着x增加,浅色组织由点状分布转变为连续生长;Al0.8FeCoNiCrCux(x=0.25,0.5,0.75,1.0)高熵合金涂层耐蚀性随Cu增加而降低,Al0.8FeCoNiCrCu0.25的腐蚀电流密为7.94×10^-8 A/cm^2,仅为基材的0.17%,腐蚀形式为点蚀,当x增加至1时,腐蚀电流密度增至8.21×10^-7 A/cm^2,为基材的1.99%,腐蚀形式转变为晶间腐蚀,但仍优于基材。显然,当0.25≤x≤1时,采用Al0.8FeCoNiCrCux涂层可显著改善铝合金的耐腐蚀性能。同时,其具有的高熵效应可抑制涂层中由基材的稀释行为引起的金属间化合物形成,解决了传统涂层材料应用在铝合金表面易产生裂纹的问题。     

A method of observing the area of contact and the mechanical breakdown of a surface film

A new method of observing the contact area was applied to the investigation of the effect of surface roughness on the mechanical breakdown of a surface film. This method uses the difference in secondary electron emission yields from the carbon surface film and from the base metal. Contact spots between the gold surfaces are visible as bright spots on the secondary electron image.

The contact resistance decreases with increasing surface roughness in the region of low surface roughness. However, the greater the tangential displacement and contact load, the less the surface roughness effect becomes. The results of contact resistance are supported by analyses of the area of film removal.