纳米多层膜韧性及其耐腐蚀磨损性能研究
发布时间：2021-01-03 09:17
我国海洋资源丰富,在陆地资源匮乏的情况下,海洋资源开发刻不容缓。但海水中富含多种元素,具有强腐蚀性,此外,大多数海洋设备零件间不可避免发生摩擦,磨损腐蚀协同作用,再加上流体冲蚀等,材料工况极其严苛,导致设备失效,稳定性降低,使用寿命缩短。因此提高材料的耐腐蚀磨损性能是发展海洋工程的关键问题。陶瓷涂层具有高硬度、耐腐蚀等优点,但其固有脆性严重制约其广泛应用。本文采用离子源辅助非平衡磁控溅射方法,成功制备不同结构的CrSiN/SiN纳米多层膜以及CrN/AlN纳米多层膜,并研究两种涂层体系的结构、力学性能、增韧机制、电化学性能以及腐蚀磨损行为。主要结论如下:（1）随着调制周期的减小,CrSiN/SiN纳米多层膜结构更加致密,这是由于多层膜界面打断了涂层的柱状生长。Λ=45 nm的CrSiN/SiN纳米多层膜具有最高的硬度和弹性模量,KIC值随调制周期减小而增大,多层膜结构改善涂层韧性。Λ=90 nm以及Λ=360 nm的CrSiN/SiN纳米多层膜腐蚀电流密度较TC4钛合金均降低了3个数量级,达到10-88 A·cm-2。其...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）平衡磁控溅射的磁场，（b）非平衡磁控溅射的磁场
1绪论涂层力学性能在一定程度上得以提高。区域2为柱状晶组织，此时涂层生长由原子表面扩散过程控制，原子表面扩散能量很强，但体扩散尚不充分，沉积阴影效应下降，因而形成组织较均匀的柱状晶结构。区域3为粗大等轴晶组织，由于衬底温度升高，过程中原子的体扩散对涂层生长起主要作用，晶粒迅速长大，最终可能超过薄膜的总厚度，形成充分再结晶的粗大等轴晶式的晶粒外延组织。图1.2薄膜区域生长结构示意图[11]Fig.1.2Structurezonediagramgrowthofthefilm.因此，要实现在低温条件下沉积制备出致密结构的高质量涂层，可以降低工作压强p和材料的熔点Tm。对基材施加一定的偏压以及通过离子源辅助沉积也可以提高粒子的能量。1.3涂层腐蚀磨损研究进展腐蚀磨损是指在两个摩擦表面相对滑动过程中，材料表面与周围介质发生一系列化学或电化学反应，并伴随机械作用而使材料产生一定损失的现象。材料在海水或其他电解质溶液中的磨损也称为电化学腐蚀磨损。整个过程主要受材料性能、腐蚀介质、摩擦副、外加载荷以及频率等因素的影响。腐蚀磨损并不是单纯的腐蚀和磨损结合，腐蚀行为和磨损行为会互相促进，两者协同作用加速材料失效。对材料腐蚀磨损性能研究主要表征其磨损量，材料3
1绪论在海水中的扩展。当涂层与WC球在海水中摩擦时，涂层裂纹在滑动面以下扩展。滑动反复进行的过程中，海水可进入涂层。裂纹尖端的涂层元素被激活，在Cl离子的溶解作用下，裂纹尖端的涂层原子间的结合力大大减弱，由此促进裂纹的扩展甚至发生断裂。此外，海水静压与腐蚀作用协同，可使表层裂纹进一步扩展，加速涂层的断裂，促进分层（图1.3（c）），最终在海水中滑动作用下形成涂层断裂。实验对比证明多层膜结构有效抑制裂纹的扩展,提高涂层耐腐蚀磨损性。图1.3磨损坑的形成过程示意图：（a）裂纹产生，（b）裂纹扩展，（c）磨损块分层。Fig.1.3Thesketchofformationprocessofwearpit:(a)crackgeneration,(b)crackpropagation,(c)delaminationofwearblock.陶瓷/陶瓷涂层体系主要以氮化物的研究为主。图1.4解释了CrN/AlN纳米多层膜腐蚀磨损性能增强的可能机制。对于单层CrN涂层，能量最低原理导致CrN涂层柱状晶结构生长，柱状晶界是易萌发裂纹的区域，腐蚀介质沿着裂纹渗透进入涂层，加速涂层的失效[22]。多层膜界面打断了涂层的柱状结构，使涂层变得致密，由于多层膜具有良好的“封孔效果”，能够有效阻止溶液进入涂层对基材造成腐蚀，也在很大程度上提高了耐腐蚀磨损性能。5
【参考文献】：
期刊论文
[1]腐蚀磨损的研究现状与发展趋势[J]. 路富刚,魏世忠. 铸造技术. 2018(08)
[2]离子注入技术在材料表面改性中的应用及研究进展[J]. 罗胜阳,苑振涛. 热加工工艺. 2018(04)
[3]恒电位对TiN涂层在人工海水环境中腐蚀磨损的影响[J]. 汪陇亮,王永欣,单磊,孙润军. 表面技术. 2017(12)
[4]离子注入304不锈钢表面耐腐蚀性的研究[J]. 袁联雄,唐德文,邹树梁,何志锋,周雄锋. 热加工工艺. 2017(08)
[5]CrN和CrSiN薄膜在不同介质下的摩擦学性能[J]. 鞠鹏飞,王海新,蒲吉斌,苏培博,宋晓航,张广安. 润滑与密封. 2016(10)
[6]基片偏压对磁控溅射制备TiB2涂层结构及性能的影响[J]. 谷文翠,李寿德,王怀勇,陈春立,李朋,黄峰. 航空材料学报. 2014(05)
[7]海水环境下TC4钛合金腐蚀磨损性能的研究[J]. 陈君,阎逢元,王建章. 摩擦学学报. 2012(01)
[8]镀层与基体的结合力[J]. 覃奇贤,刘淑兰. 电镀与精饰. 2010(01)
[9]多层膜结构对硬度实验影响的数值分析[J]. 刘瑛,门玉涛,李林安,成广庆. 力学与实践. 2006(01)
[10]机械产品的磨损——磨料磨损失效分析（续）[J]. 关成君,陈再良. 理化检验(物理分册). 2006(02)
本文编号：2954726
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）平衡磁控溅射的磁场，（b）非平衡磁控溅射的磁场
1绪论涂层力学性能在一定程度上得以提高。区域2为柱状晶组织，此时涂层生长由原子表面扩散过程控制，原子表面扩散能量很强，但体扩散尚不充分，沉积阴影效应下降，因而形成组织较均匀的柱状晶结构。区域3为粗大等轴晶组织，由于衬底温度升高，过程中原子的体扩散对涂层生长起主要作用，晶粒迅速长大，最终可能超过薄膜的总厚度，形成充分再结晶的粗大等轴晶式的晶粒外延组织。图1.2薄膜区域生长结构示意图[11]Fig.1.2Structurezonediagramgrowthofthefilm.因此，要实现在低温条件下沉积制备出致密结构的高质量涂层，可以降低工作压强p和材料的熔点Tm。对基材施加一定的偏压以及通过离子源辅助沉积也可以提高粒子的能量。1.3涂层腐蚀磨损研究进展腐蚀磨损是指在两个摩擦表面相对滑动过程中，材料表面与周围介质发生一系列化学或电化学反应，并伴随机械作用而使材料产生一定损失的现象。材料在海水或其他电解质溶液中的磨损也称为电化学腐蚀磨损。整个过程主要受材料性能、腐蚀介质、摩擦副、外加载荷以及频率等因素的影响。腐蚀磨损并不是单纯的腐蚀和磨损结合，腐蚀行为和磨损行为会互相促进，两者协同作用加速材料失效。对材料腐蚀磨损性能研究主要表征其磨损量，材料3
1绪论在海水中的扩展。当涂层与WC球在海水中摩擦时，涂层裂纹在滑动面以下扩展。滑动反复进行的过程中，海水可进入涂层。裂纹尖端的涂层元素被激活，在Cl离子的溶解作用下，裂纹尖端的涂层原子间的结合力大大减弱，由此促进裂纹的扩展甚至发生断裂。此外，海水静压与腐蚀作用协同，可使表层裂纹进一步扩展，加速涂层的断裂，促进分层（图1.3（c）），最终在海水中滑动作用下形成涂层断裂。实验对比证明多层膜结构有效抑制裂纹的扩展,提高涂层耐腐蚀磨损性。图1.3磨损坑的形成过程示意图：（a）裂纹产生，（b）裂纹扩展，（c）磨损块分层。Fig.1.3Thesketchofformationprocessofwearpit:(a)crackgeneration,(b)crackpropagation,(c)delaminationofwearblock.陶瓷/陶瓷涂层体系主要以氮化物的研究为主。图1.4解释了CrN/AlN纳米多层膜腐蚀磨损性能增强的可能机制。对于单层CrN涂层，能量最低原理导致CrN涂层柱状晶结构生长，柱状晶界是易萌发裂纹的区域，腐蚀介质沿着裂纹渗透进入涂层，加速涂层的失效[22]。多层膜界面打断了涂层的柱状结构，使涂层变得致密，由于多层膜具有良好的“封孔效果”，能够有效阻止溶液进入涂层对基材造成腐蚀，也在很大程度上提高了耐腐蚀磨损性能。5
【参考文献】：
期刊论文
[1]腐蚀磨损的研究现状与发展趋势[J]. 路富刚,魏世忠. 铸造技术. 2018(08)
[2]离子注入技术在材料表面改性中的应用及研究进展[J]. 罗胜阳,苑振涛. 热加工工艺. 2018(04)
[3]恒电位对TiN涂层在人工海水环境中腐蚀磨损的影响[J]. 汪陇亮,王永欣,单磊,孙润军. 表面技术. 2017(12)
[4]离子注入304不锈钢表面耐腐蚀性的研究[J]. 袁联雄,唐德文,邹树梁,何志锋,周雄锋. 热加工工艺. 2017(08)
[5]CrN和CrSiN薄膜在不同介质下的摩擦学性能[J]. 鞠鹏飞,王海新,蒲吉斌,苏培博,宋晓航,张广安. 润滑与密封. 2016(10)
[6]基片偏压对磁控溅射制备TiB2涂层结构及性能的影响[J]. 谷文翠,李寿德,王怀勇,陈春立,李朋,黄峰. 航空材料学报. 2014(05)
[7]海水环境下TC4钛合金腐蚀磨损性能的研究[J]. 陈君,阎逢元,王建章. 摩擦学学报. 2012(01)
[8]镀层与基体的结合力[J]. 覃奇贤,刘淑兰. 电镀与精饰. 2010(01)
[9]多层膜结构对硬度实验影响的数值分析[J]. 刘瑛,门玉涛,李林安,成广庆. 力学与实践. 2006(01)
[10]机械产品的磨损——磨料磨损失效分析（续）[J]. 关成君,陈再良. 理化检验(物理分册). 2006(02)
本文编号：2954726
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