4Cr13不锈钢表面复合强化工艺的硬度表证研究

研究了4Cr13钢经离子氯化、PVDTiN离子镀及其离子氮化＋PVD复合处理后，其表面强化层的硬度特征。结果表明：采用离子氮化＋TiN涂层的复合处理工艺，可使4Cr13钢表面TiN涂层获得较硬氮化过渡层，从而真正发挥其高硬度特性。运用Jonsson经验公式，获得的TiN涂层真实硬度与超显微硬度计测试结果基本一致。     

锆合金表面涂层耐高温高压动水腐蚀性能的研究

目的 提高锆合金在高温高压环境中耐动水腐蚀性能。方法 利用多弧离子镀技术（MAIP）在Zr-4合金表面分别制备了Al2O3涂层和Cr/TiAlN复合涂层,利用磁控溅射技术（MS）在Zr-4合金表面制备了TiN涂层。通过堆外高压釜实验,对比研究了三种不同涂层的耐高温高压动水腐蚀性能,利用自动划痕仪检测膜基结合力,利用XRD分析涂层的物相成分,利用SEM观察涂层腐蚀前后的微观形貌,利用EDS对涂层元素种类与含量进行分析。结果 多弧离子镀技术制备的Al2O3涂层和Cr/TiAlN涂层致密度较高,但表面存在少量大颗粒与微孔洞;磁控溅射技术制备的TiN涂层均匀平整,表面大颗粒较少。Al2O3涂层、TiN涂层和Cr/TiAlN涂层可承受的临界载荷分别为26、16、26.5 N。在实验条件下,Cr/TiAlN涂层和TiN涂层表面均发生了剥落或腐蚀现象,且这两种试样表面均检测出大量的ZrO2,而Al2O3涂层几乎未被破坏,基体得到了充分防护。结论 利用多弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备的Al2O3涂层和Cr/TiAlN涂层的膜基结合力较高,利用磁控溅射技术制备的TiN涂层的膜基结合性能较差,其中Al2O3涂层具备良好的耐腐蚀性能,在高温高压动水腐蚀环境中能够有效地保护锆合金基体。     

nc-(Ti,Al)(C,N)/a-SiNx纳米复合薄膜的制备及性能研究

目的 研究Si、C单元素掺杂及其共同掺杂TiAlN涂层对涂层性能的影响.方法 基于阴极电弧+辉光放电技术,在SUS304不锈钢基体及硬质合金刀具上分别制备nc-(Ti,Al)N、nc-(Ti,Al)N/a-SiNx、nc-TiAlCN及nc-TiAlCN/a-SiNx/a-C纳米复合薄膜,通过SEM观察涂层的微观组织形貌,并借助EDS表征涂层的元素成分,用XRD分析涂层的物相构成,探究C、Si元素对涂层生长的影响.采用纳米硬度仪测试涂层的硬度,采用二维轮廓仪及三维形貌仪表征涂层的表面粗糙度及表面形貌,通过滑动摩擦磨损试验测定涂层的耐磨性,用纳米划痕仪表征涂层的摩擦系数及涂层与基体的结合强度,用铣削实验表征涂层的切削性能.结果 该技术制备的TiAlN涂层,内部晶相结构复杂,硬度为29.57 GPa,主要归因于Ti2AlN、Ti2N等硬质相及TiN0.3相的形成降低了涂层的晶格常数.此为首次报道通过物理气相沉积方法制备含TiN0.3相的涂层.TiAlSiN涂层的硬度最高,为37.69 GPa,且耐磨性最好,主要原因是Si的添加起到了细晶强化和晶界强化的作用.C掺杂TiAlN使涂层析出更多非晶相,涂层硬度降低.C、Si元素共同掺杂,使得nc-TiAlCN/a-SiNx/a-C涂层表现出较低的摩擦系数及表面粗糙度,但与基体的结合性能最差,nc-(Ti,Al)N/a-SiNx薄膜的结合强度最好.结论 涂层均提高了基体表面的显微硬度,Si、C元素的掺杂可使涂层的某些性能得以大幅提升,但在实际应用中,还需根据应用需求选择合适的涂层.     

电弧离子镀TiAlCrN多元涂层的性能研究

利用电弧离子镀技术采用Ti0.5Al0.5合金靶和纯Cr靶在钛合金TCll基片上制备了TiAlCrN多元涂层.用扫描电镜、X射线衍射仪、高分辨率透射电镜(HRTEM)分析了涂层表面、断面形貌、物相结构及微观结构.测试了涂层的显微硬度,研究了钛合金镀膜样品的耐磨性.试验结果表明,TiAlN涂层添加Cr元素后表现出较强的(220)择优取向,形成(Ti,Al)N和(Ti,Cr)N混合物相结构.透射电镜分析表明,该涂层晶粒细小,取向比较复杂,结构呈混晶排列.TiAlCrN涂层在大气环境中700℃氧化100 h后,涂层保持完整,主要以氮化物的形态存在,对TC11钛合金基体有良好的保护作用.室温干磨损试验表明,TiAlCrN涂层在强度较弱的区域出现片状剥落,且EDS分析表明,磨损过程存在部分氧化磨损的特征.     

Ti基与Cr基氮化物涂层的抗氧化性能

选用TiN,TiAlN,CrN和CrAlN 4种涂层材料,使用电阻炉对试样加热并保温,进行抗氧化性能实验,利用SEM、EDS和XRD获得了氧化结果。结果表明:Ti基涂层的氧化机制以O原子向涂层内部扩散为主;Cr基涂层的抗氧化机制为N原子和Cr离子向涂层表面的扩散所形成的微孔诱发的氧化;Cr基涂层比Ti基涂层具有较好的抗氧化性;Al的加入使得TiAlN与CrAlN涂层的氧化性能和高温后硬度提高,特别是CrAlN氧化后生成的致密Cr2O3和Al2O3混合氧化物使其抗氧化性能达到最优;氧化及涂层与基体的热涨失配使得几类涂层最终开裂失效;四种涂层的抗氧化能力为CrAlN>TiAlN>CrN>TiN。     

电弧离子镀CrN涂层的制备及性能研究

用电弧离子镀技术在W18Cr4V高速钢试样上制备了CrN涂层,采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱议、显微硬度仪、磨损试验机等对涂层的表面形貌、相结构、硬度和耐磨性进行了分析.对比研究了经工艺优化后的CrN涂层和TiN、TiAlN涂层以及未涂层钻头干式钻削7075铝合金的切削性能,得出了最佳的沉积偏压和切削转速.结果表明,偏压为-50～-150 V时,涂层均由Cr2N 相和CrN相组成,随偏压增加,涂层表面粗糙度降低,硬度和耐磨性增强;偏压过高,涂层的微观质量和性能反而下降.偏压为-100 V时,涂层的硬度和耐磨性最佳.CrN涂层可显著提高高速钢刀具的切削性能,减小刀具磨损,延长刀具寿命.其钻削性能优于TiN、TiAlN涂层,明显优于未涂层.2 230 r/min为CrN涂层的最佳切削转速,经工艺优化后的CrN涂层钻头平均寿命约为未涂层钻头的5倍,其破损机制属于粘着磨损.     

物理气相沉积Ti/TiN提高冷冲模具寿命研究

对Cr12MoV冷作模具钢表面进行了单一处理(PVD Ti／TiN)和双重处理(低温等离子氮化 PVD Ti／TiN),通过显微硬度、划痕和磨损试验综合分析了这两种不同处理涂层的摩擦学性能。而且,对PVD Ti／TiN涂覆的“控制臂翻边凸模”进行应用试验。研究结果和应用试验表明：较单一处理,双重处理改善了涂层与基体界面的结合,显著提高了Cr12MoV钢的表面承载能力和耐磨性,PVD Ti／TiN涂覆的“控制臂翻边凸模”寿命提高了2倍多。     

45钢表面TD-Cr/PVD-CrN复合涂层磨蚀性能

目的 采用热扩散(TD)渗金属技术和物理气相沉积(PVD)技术对45钢表面进行强化,以提升45钢表面硬度和抗磨蚀性能,延长45钢的使用寿命。方法 采用热扩散渗金属技术和物理气相沉积技术制备TD-Cr、PVD-CrN及TD-Cr/PVD-CrN(Cr/CrN复合涂层)3种涂层。利用扫描电镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)研究涂层的微观形貌、元素分布和物相组成。通过纳米压痕研究涂层的硬度、弹性模量。通过摩擦磨损实验和电化学腐蚀实验,研究涂层的摩擦性能和腐蚀性能。结果 TD-Cr、PVD-CrN、TD-Cr/PVD-CrN 3种涂层的组织结构均致密均匀,厚度分别为19.78、1.075、32.24 μm。TD-Cr/PVD-CrN涂层的硬度达到28.7 GPa,高于其他涂层, 同时,Cr/CrN复合涂层的弹性模量和弹性恢复能力均优于其他涂层。在盐水环境下,TD-Cr、PVD-CrN、TD-Cr/PVD-CrN的摩擦因数分别为0.52、0.38、0.35,磨损体积分别为26、0.15、0.05,TD-Cr/PVD-CrN展现出较好的耐磨性能。在盐水环境下,TD-Cr/PVD-CrN涂层的抗腐蚀性能略低于TD-CrN涂层。结论 综合看来,TD-Cr/PVD-CrN复合涂层可以有效提升45钢的表面抗磨蚀能力,延长其使用寿命。     

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。     

多层结构对Ti/TiN涂层性能的影响（英文）

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引发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10μm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。本工作在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HV0.25高达27500 MPa,厚度大于50μm,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,涂层与基体的界面结合强度显著弱化。     

耐热钢表面TiAlCrN/NiCrAlY涂层的制备和热震性能

X12CrMoWVNbN10-1-1耐热钢因其优良的性能被用作超超临界蒸汽轮机转子和叶片材料,缺点是随着温度的升高,其性能迅速下降。采用真空电弧离子镀在该耐热钢表面沉积TiAlCrN/NiCrAlY涂层,研究了该涂层的表面形貌、截面形貌、成分和结合力,同时还研究了该涂层在650℃条件下的热震性能。结果表明:使用真空电弧离子镀可制备厚度为8μm的致密TiAlCrN/NiCrAlY涂层,表面成分为Ti0.51Al0.17Cr0.16N0.15。涂层的临界开裂应力L_(C1)为25N,涂层与基体剥离的临界载荷L_(C2)大于60N。通过沉积TiAlCrN/NiCrAlY涂层可显著提高该耐热钢的抗热震性能。     

Si、Cr的加入对TiAlN涂层抗氧化性能的影响

比较了阴极电弧蒸发工艺制备的Ti0.45Al0.55N、Ti0.35Al0.55Si0.1N和Ti0.3Al0.55Cr0.15N涂层在850℃和900℃的抗氧化性能。通过X射线衍射仪(XRD)、高分辨率扫描电镜(HRSEM)和能谱仪(EDS),研究Si、Cr对Ti0.45Al0.55N涂层抗氧化性能的影响。结果表明:Si和Cr的加入均能有效提高Ti0.45Al0.55N涂层的抗氧化性能,细化涂层晶粒,促进Al向涂层表面扩散形成致密的Al2O3氧化层,抑制锐钛矿型TiO2向金红石型TiO2转变,提高TiAlSiN涂层和TiAlCrN涂层的抗氧化性能。另外,TiAlCrN涂层中Cr2O3的形成进一步提高了其抗氧化性能。     

TiAlCrN和TiAlCrN/CrN复合膜的微观组织与力学性能

利用离子氮化形成过渡层,通过改变溅射沉积工艺参数,制备了TiAlCrN和TiAlCrN/CrN多层复合膜.采用电子探针(EPMA)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪及微米划痕仪等技术表征两种复合膜的成分结构和力学性能.结果表明:两种膜都是面心立方结构,TiAlCrN膜和TiAlCrN/CrN多层膜分别在(111)和(200)面具有一定的择优取向;TiAlCrN膜的结构和成分都比较均匀,而TiAlCrN/CrN多层膜的结构和成分则呈周期性变化.由于离子渗氮层的支撑作用及氮化物外延生长,TiAlCrN/CrN多层膜的显微硬度(3 450 HV)高于TiAlCrN膜的(2 500 HV);两种膜都具有较高的膜基结合力,但TiAlCrN/CrN多层膜的综合力学性能比TiAlCrN膜的更好.     

高速火焰喷涂Fe-Al/Cr3C2复合涂层的组织与性能

用高速火焰喷涂法在20钢上制备Fe-Al／Cr3C2复合涂层。利用配有能谱仪的扫描电镜分析涂层表面形貌和所含元素,利用X射线衍射仪分析涂层的相组成,并测试了涂层的结合强度、显微硬度、孔隙率等性能。结果表明,高速火焰喷涂Fe-Al／Cr3C2复合涂层中主要包括Fe、Al以及FeAl、Fe3Al、Cr3C2相,Cr3C2增强相呈点状均匀分布涂层中;涂层具有较高的结合强度、硬度和较低的孔隙率。     

Cr基涂层对H13钢耐磨性及热疲劳性能的影响

采用非平衡磁控溅射技术,在高淬火高回火H13钢及再加氮化的H13钢表面沉积CrN及CrMoN涂层,分析和测试涂层的微观结构和形貌、纳米硬度和弹性模量、摩擦学性能,以及涂层对两种基体热疲劳性能的影响。结果表明,CrN和CrMoN涂层均匀致密,呈FCC结构,有效地强化了H13钢表面。与CrN涂层相比,CrMoN涂层有着更高的纳米硬度(21.73GPa)、弹性模量(268.34 Ga)以及更低的摩擦系数(0.37),从而更有效地改善了H13钢的摩擦学性能。此外,CrMoN涂层大大改善了H13钢抗热疲劳性能,经1 000次热疲劳实验,表面无明显的宏观裂纹,损伤因子近似为零。其次,CrN涂层也显示了较低的表面损伤因子(0.009),裂纹数量明显减少。然而,CrMoN和CrN涂层难以缓解氮化H13钢表面粗大的网状裂纹,表面损伤因子(0.032,0.104)明显高于H13钢(0.012)。     

基体材料对AlCrN硬质涂层结构及摩擦学性能的影响

采用真空阴极多弧离子镀技术,分别在Cr8、W6、Cr12及V-4E四种不同材质模具钢表面制备了Al Cr N多元纳米硬质涂层。利用划痕仪、工具显微镜、HV显微硬度计、球磨仪、SEM及XRD对Al Cr N涂层硬度,膜层厚度、结合力、摩擦系数进行了对比测试,并对涂层磨痕宽度、划痕宽度、表面形貌及相结构进行了表征。结果表明:相对于其它三种基材,V-4E基材的Al Cr N涂层显微硬度更高、膜基结合力更好、摩擦系数更低、耐磨性最好;四种基材的表面形貌基本一致,均有大颗粒及凹坑,V-4E基材Al Cr N涂层的晶粒尺寸最小,沉积的Al Cr N涂层结构更致密,耐磨性更优异。     

等离子喷涂含Al_2O_3-TiO_2颗粒的Fe基非晶合金涂层的性能(英文)

采用大气等离子喷涂技术成功在Fe普碳钢基材上制备了含有不同质量分数Al2O3-13%Ti O2颗粒的Fe基非晶复合涂层,其中Fe基非晶相成分为Fe71Cr5B4Si4Ni3Mo3W10(wt%),并对涂层的微观结构、显微硬度和耐蚀性能进行了研究。在Fe基非晶相与Al2O3-13%Ti O2陶瓷相界面观察到Fe、Ti、W、Al和O元素的互扩散现象,这种微区冶金结合减少了由于第二相的加入导致的涂层孔隙并增加了相间的结合强度。当加入的Al2O3-13%Ti O2质量分数≥16 wt%时,涂层的显微硬度升高≥20%;复合非晶涂层在10 wt%Na OH溶液中的耐腐蚀性能高于1Cr18Ni9Ti不锈钢。     

Properties of Fe-based Amorphous Alloy Coatings with Al2O3-13% TiO2 Deposited by Plasma Spraying

采用大气等离子喷涂技术成功在Fe普碳钢基材上制备了含有不同质量分数Al2O3-13%Ti O2颗粒的Fe基非晶复合涂层,其中Fe基非晶相成分为Fe71Cr5B4Si4Ni3Mo3W10(wt%),并对涂层的微观结构、显微硬度和耐蚀性能进行了研究。在Fe基非晶相与Al2O3-13%Ti O2陶瓷相界面观察到Fe、Ti、W、Al和O元素的互扩散现象,这种微区冶金结合减少了由于第二相的加入导致的涂层孔隙并增加了相间的结合强度。当加入的Al2O3-13%Ti O2质量分数≥16 wt%时,涂层的显微硬度升高≥20%;复合非晶涂层在10 wt%Na OH溶液中的耐腐蚀性能高于1Cr18Ni9Ti不锈钢。     

离子渗氮对多弧离子镀CrN涂层摩擦学性能的影响

目的 采用离子渗氮技术强化40Cr钢基体,以提高大载荷条件下基体表面CrN涂层的耐磨性能。方法 首先采用离子渗氮技术强化40Cr钢基体,再采用多弧离子镀在强化后的基体表面上沉积硬质CrN涂层。采用金相显微镜和扫描电镜观察分析基体和涂层的微观形貌,采用划痕试验测试涂层与基体的结合力,采用维氏硬度表征涂层及基体不同深度的硬度,通过大载荷摩擦磨损试验研究基体强化对涂层耐磨性的影响。结果 经离子渗氮后,40Cr钢基体的表面硬度由380HV提高至879HV,渗层深度达到0.30 mm;多弧离子镀CrN涂层的表面硬度为2 380HV,厚度为33 μm,涂层的结合力达到37.79 N。摩擦磨损试验结果表明,40Cr钢基体的平均摩擦因数为0.92,磨损量为43.1 mg,磨痕宽度和深度分别为1 805、224 μm;经离子渗氮后40Cr钢基体的平均摩擦因数为0.68,磨损量为28.4 mg,磨痕的宽度和深度分别为1 260、156 μm;未强化基体表面CrN涂层的平均摩擦因数为0.55,磨损量为19.4 mg,磨痕的宽度和深度分别为884、89 μm,在摩擦磨损试验中出现了涂层剥落失效现象;经强化后基体表面CrN涂层的平均摩擦因数为0.42,磨损量为2.6 mg,磨痕的宽度和深度分别为328、16 μm,未出现涂层剥落现象。结论 采用离子渗氮强化基体的方法,使基体、渗氮层、CrN涂层形成了硬度梯度,提高了多弧离子镀CrN涂层的耐磨性能,避免在大载荷条件下出现因基体变形引起的涂层脱落失效。     

磁控溅射Cr/CrN和Cr/CrN/CrAlN涂层的抗高温氧化性能

为了提高航空紧固件涂层的高温工况防护能力,采用磁控溅射技术在钛合金表面分别制备 Cr/ CrN 交替涂层和 Cr/ CrN / CrAlN 涂层,研究氧化时间和氧化温度对涂层高温氧化性能影响。 利用 SEM、EDS 和 XRD 进行微观形貌和物相成分分析,采用热重法分析氧化增重量( w) 和氧化速率常数( k) ,使用显微硬度计测试涂层高温氧化后硬度。 结果表明:随着氧化时间和氧化温度的增加,涂层硬度均降低,但 Cr/ CrN / CrAlN 涂层下降趋势更缓; 两种涂层的 w 和 k 均上升,其中 Cr/ CrN / CrAlN 涂层 w 和 k 增幅均低于 Cr/ CrN 交替涂层,950 ℃ 氧化 96 h 后 Cr/ CrN / CrAlN 涂层和 Cr/ CrN 交替涂层的 w 值分别为 40 mg / cm ² 和 135. 7 mg / cm ² ,其对应的 k 分别为 0. 1996 和 0. 4092,说明 Cr/ CrN / CrAlN 涂层抗高温氧化性更好。 Cr/ CrN / CrAlN 涂层活化能 E_a 值比 Cr/ CrN 交替涂层高 48. 5%,Cr/ CrN / CrAlN 涂层在高温下产生 Cr₂O₃ 和 Al ₂O₃ 的混合氧化物,结构更致密,Cr/ CrN / CrAlN 涂层抗高温氧化性能高于 Cr/ CrN 交替涂层。