TiAlN基涂层冲蚀磨损特性研究
发布时间：2021-12-02 10:44
冲蚀磨损作为航空航天、能源、动力等工业领域材料破坏的重要原因之一,引起人们的广泛关注。为了获得良好的抗冲蚀性能,研究人员开始在工件表面制备涂层。TiN涂层作为曾使用最广泛的抗冲蚀涂层,能够有效的保护工件表面,从而提高工件使用寿命。近年来,随着工业的进步,TiN涂层已被具有高硬度、耐磨损、抗氧化性和自润滑等优良性能的TiAlN涂层逐渐替代。同时为了进一步提高TiAlN涂层的综合性能,研究者开始添加Si、Cr、C等元素形成纳米复合涂层,探究加入元素对TiAlN基涂层性能的提升作用。目前对TiAlN基涂层冲蚀磨损性能研究较少,因此,本文着重研究了添加Si、Cr元素后对TiAlN基涂层的冲蚀磨损性能的影响。本文采用电弧离子镀技术分别在不锈钢SUS321、钛合金TC4和硬质合金YT15三种材料上制备了 TiAlN、TiAlSiN和TiAlCrSiN涂层。用扫描电镜（SEM）分析冲蚀实验前后涂层与基体的表面、断面微观形貌;用能谱分析仪（EDS）分析涂层的组成成分;用X射线衍射仪（XRD）分析涂层物相组成和晶粒尺寸;用光学轮廓仪检测涂层表面粗糙度;用纳米压痕仪和材料表面性能测试仪测量试样的力学性能和...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＴｉＡＩＮ涂层物相结构随Ａｌ元素含量变化的示意图ＰＩ??
山东大学硕士论文??■■??（ｃ）?ＣｒＮ（Ｖ＝１２０?ｍ／ｓ）?（ｄ）?ＴｉＳｉＮ?（?Ｖ＝?１００?ｍ／ｓ．）??图１－２单晶硅基体上ＣｒＮ、ＴｉＮ和ＴｉＳｉＮ涂层的表面冲蚀形貌??黄志翔等Ｍ在硬质合金ＹＴ１５和碳钢Ｑ２３５Ａ基体上制备ＺｒＴｉＡＩＮ涂层，选用??白刚玉作为冲蚀磨料，在喷砂气压为０．４５ＭＰａ冲蚀条件下对ＺｒＴｉＡＩＮ涂层进行冲??蚀实验，发现涂层因基体不同而展现出不同的冲蚀形貌。ＹＴ１５基体上的ＺｒＴｉＡＩＮ??冲蚀磨损机理为既有脆性疲劳断裂又有塑性疲劳破坏；Ｑ２３５Ａ基体上ＺｒＴｉＡＩＮ则??是仅有脆性断裂。??Ｙａｎｇ等關用氧化铝（尺寸５０＿）对钛合金基体上ＣｒＴｉＡＩＮ涂层进行冲蚀实??验，发现不同冲蚀角下的涂层材料去除方式不同。在冲蚀角低于４５°时，涂层??冲蚀磨损机理为微切削；在冲蚀角高于４５°时，涂层的冲蚀磨损机理既有微切??削，也有脆性疲劳断裂。??１Ａ２冲蚀磨损特性影响因素研究现状??涂层支撑来自于基体，薄涂层厚度仅为几微米，粒子冲击涂层时其作用力很??可能通过涂层到达基体，因此涂层冲蚀磨损特性不仅受涂层性能影响，更与基体??性能紧密相连。??（１）涂层硬度??对于高冲蚀角下硬度Ｈ对涂层抗冲蚀性能的影响，各学者得出的结果并不一??致，有些学者认为在高角度冲蚀下，涂层硬度越高，抗冲蚀性能越好。Ｂｏｕｓｓｅｒ??等關对不锈钢ＡＩＳＩ４１０基体上的ＣｒＮ涂层和ＣｒＳｉＮ涂层进行冲蚀实验，发现在９０°??冲蚀角下硬度较高的ＣｒＳｉＮ涂层的冲蚀速率远低于ＣｒＮ涂层。但也有学者发现在??高角度下，高硬度涂层抗冲蚀性能却比较差。Ｌａｇｕｎａ－Ｃａｍａｃｈｏ等關在铝６０６１和??钢４１４０基
第２章涂层制备和表征方法??第２章涂层制备和表征方法??２．１涂层设计和涂层制备??２．１．１?ＴｉＡＩＮ基涂层设计准则??如图２－１，从涂层结构看，ＰＶＤ纳米复合涂层类似网状结构，为界面相包裹??基本相的结构。??图２－１纳米复合涂层结构的示意图??目前，普遍认为纳米复合涂层主要有四种强化机制，分别为Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ细晶??强化理论共格协调应变理论［６４］、固溶强化［６５］和Ｓ．Ｖｅｐｒｅｋ的非晶包裹纳米晶??｛ｎｃ－ＴｉＮ／ａ－Ｓｉ３Ｎ４）模型［６６］。??（１）?Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ细晶强化理论??材料的晶粒尺寸减小，其涂层材料内部所生成的微裂纹和空位的尺寸随之减??小，因而提高材料的强度和硬度。??（２）共格协调应变理论??该理论认为涂层间因点阵错配而产生的共格协调应变使涂层硬度增加。??（３）固溶强化理论??固溶强化指的是在制备涂层的过程中，添加的其它元素有一部分会溶入原有??晶体的晶格内，从而增强涂层性能的理论。??（４）?Ｓ．Ｖｅｐｒｅｋ的非晶包裹纳米晶（ｎｃ－ＴｉＮ／ａ－Ｓｉ３Ｎ４）模型??该模型认为ＴｉＮ／Ｓｉ３Ｎ４复合涂层会形成非晶态Ｓｉ３Ｎ４界包裹ＴｉＮ纳米晶的结构，??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]多弧离子镀TiN、TiAlN膜层性能的研究[J]. 刘海波,王明明,张镜斌,刘洲超,魏刚. 热加工工艺. 2020(04)
[2]金属材料强化机理与模型综述[J]. 范晓嫚,徐流杰. 铸造技术. 2017(12)
[3]硬质涂层冲击、冲蚀性能的研究进展[J]. 蔡振兵,王璋,朱旻昊. 机械工程学报. 2017(24)
[4]不同Al含量的Ti/Al合金靶对磁控溅射离子镀TiAlN薄膜力学性能的影响[J]. 程玺儒,赵广彬. 西华大学学报(自然科学版). 2017(05)
[5]Al含量及厚度对不锈钢基体上TiAlN涂层力学性能的影响[J]. 赵升升,郎文昌. 深圳职业技术学院学报. 2016(05)
[6]DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响[J]. 曹鑫,何卫锋,何光宇,廖斌,张虹虹,李应红. 中国表面工程. 2016(04)
[7]TiAlN涂层含Al量对力学性能和摩擦性能的影响[J]. 陈德平,张平,冯燕,彭前飞,姜峰,谢帮全. 工具技术. 2016(03)
[8]不同攻角状态下TC4合金的固体粒子冲蚀行为研究[J]. 郭宝会. 科学技术与工程. 2015(06)
[9]粗糙度对热障涂层冲蚀失效的影响及模型建立[J]. 张小锋,周克崧,张吉阜,韩滔,宋进兵,刘敏. 无机材料学报. 2014(03)
[10]Al含量对TiAlN涂层热稳定性能的影响[J]. 张雨萌,朱丽慧,倪旺阳,刘一雄. 中南大学学报(自然科学版). 2013(07)
硕士论文
[1]PVD氮化物及类金刚石硬质涂层的冲蚀磨损行为研究[D]. 李巾杰.山东大学 2019
[2]不同基体表面氮化物涂层冲蚀磨损特性研究[D]. 邹雪倩.山东大学 2018
[3]ZrTiAlN涂层的制备及其冲蚀磨损机理研究[D]. 黄志翔.湖南工业大学 2016
[4]CrAlN基单层及纳米多层涂层的微观结构、力学性能及超硬效应研究[D]. 郑康培.上海理工大学 2011
本文编号：3528281
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＴｉＡＩＮ涂层物相结构随Ａｌ元素含量变化的示意图ＰＩ??
山东大学硕士论文??■■??（ｃ）?ＣｒＮ（Ｖ＝１２０?ｍ／ｓ）?（ｄ）?ＴｉＳｉＮ?（?Ｖ＝?１００?ｍ／ｓ．）??图１－２单晶硅基体上ＣｒＮ、ＴｉＮ和ＴｉＳｉＮ涂层的表面冲蚀形貌??黄志翔等Ｍ在硬质合金ＹＴ１５和碳钢Ｑ２３５Ａ基体上制备ＺｒＴｉＡＩＮ涂层，选用??白刚玉作为冲蚀磨料，在喷砂气压为０．４５ＭＰａ冲蚀条件下对ＺｒＴｉＡＩＮ涂层进行冲??蚀实验，发现涂层因基体不同而展现出不同的冲蚀形貌。ＹＴ１５基体上的ＺｒＴｉＡＩＮ??冲蚀磨损机理为既有脆性疲劳断裂又有塑性疲劳破坏；Ｑ２３５Ａ基体上ＺｒＴｉＡＩＮ则??是仅有脆性断裂。??Ｙａｎｇ等關用氧化铝（尺寸５０＿）对钛合金基体上ＣｒＴｉＡＩＮ涂层进行冲蚀实??验，发现不同冲蚀角下的涂层材料去除方式不同。在冲蚀角低于４５°时，涂层??冲蚀磨损机理为微切削；在冲蚀角高于４５°时，涂层的冲蚀磨损机理既有微切??削，也有脆性疲劳断裂。??１Ａ２冲蚀磨损特性影响因素研究现状??涂层支撑来自于基体，薄涂层厚度仅为几微米，粒子冲击涂层时其作用力很??可能通过涂层到达基体，因此涂层冲蚀磨损特性不仅受涂层性能影响，更与基体??性能紧密相连。??（１）涂层硬度??对于高冲蚀角下硬度Ｈ对涂层抗冲蚀性能的影响，各学者得出的结果并不一??致，有些学者认为在高角度冲蚀下，涂层硬度越高，抗冲蚀性能越好。Ｂｏｕｓｓｅｒ??等關对不锈钢ＡＩＳＩ４１０基体上的ＣｒＮ涂层和ＣｒＳｉＮ涂层进行冲蚀实验，发现在９０°??冲蚀角下硬度较高的ＣｒＳｉＮ涂层的冲蚀速率远低于ＣｒＮ涂层。但也有学者发现在??高角度下，高硬度涂层抗冲蚀性能却比较差。Ｌａｇｕｎａ－Ｃａｍａｃｈｏ等關在铝６０６１和??钢４１４０基
第２章涂层制备和表征方法??第２章涂层制备和表征方法??２．１涂层设计和涂层制备??２．１．１?ＴｉＡＩＮ基涂层设计准则??如图２－１，从涂层结构看，ＰＶＤ纳米复合涂层类似网状结构，为界面相包裹??基本相的结构。??图２－１纳米复合涂层结构的示意图??目前，普遍认为纳米复合涂层主要有四种强化机制，分别为Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ细晶??强化理论共格协调应变理论［６４］、固溶强化［６５］和Ｓ．Ｖｅｐｒｅｋ的非晶包裹纳米晶??｛ｎｃ－ＴｉＮ／ａ－Ｓｉ３Ｎ４）模型［６６］。??（１）?Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ细晶强化理论??材料的晶粒尺寸减小，其涂层材料内部所生成的微裂纹和空位的尺寸随之减??小，因而提高材料的强度和硬度。??（２）共格协调应变理论??该理论认为涂层间因点阵错配而产生的共格协调应变使涂层硬度增加。??（３）固溶强化理论??固溶强化指的是在制备涂层的过程中，添加的其它元素有一部分会溶入原有??晶体的晶格内，从而增强涂层性能的理论。??（４）?Ｓ．Ｖｅｐｒｅｋ的非晶包裹纳米晶（ｎｃ－ＴｉＮ／ａ－Ｓｉ３Ｎ４）模型??该模型认为ＴｉＮ／Ｓｉ３Ｎ４复合涂层会形成非晶态Ｓｉ３Ｎ４界包裹ＴｉＮ纳米晶的结构，??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]多弧离子镀TiN、TiAlN膜层性能的研究[J]. 刘海波,王明明,张镜斌,刘洲超,魏刚. 热加工工艺. 2020(04)
[2]金属材料强化机理与模型综述[J]. 范晓嫚,徐流杰. 铸造技术. 2017(12)
[3]硬质涂层冲击、冲蚀性能的研究进展[J]. 蔡振兵,王璋,朱旻昊. 机械工程学报. 2017(24)
[4]不同Al含量的Ti/Al合金靶对磁控溅射离子镀TiAlN薄膜力学性能的影响[J]. 程玺儒,赵广彬. 西华大学学报(自然科学版). 2017(05)
[5]Al含量及厚度对不锈钢基体上TiAlN涂层力学性能的影响[J]. 赵升升,郎文昌. 深圳职业技术学院学报. 2016(05)
[6]DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响[J]. 曹鑫,何卫锋,何光宇,廖斌,张虹虹,李应红. 中国表面工程. 2016(04)
[7]TiAlN涂层含Al量对力学性能和摩擦性能的影响[J]. 陈德平,张平,冯燕,彭前飞,姜峰,谢帮全. 工具技术. 2016(03)
[8]不同攻角状态下TC4合金的固体粒子冲蚀行为研究[J]. 郭宝会. 科学技术与工程. 2015(06)
[9]粗糙度对热障涂层冲蚀失效的影响及模型建立[J]. 张小锋,周克崧,张吉阜,韩滔,宋进兵,刘敏. 无机材料学报. 2014(03)
[10]Al含量对TiAlN涂层热稳定性能的影响[J]. 张雨萌,朱丽慧,倪旺阳,刘一雄. 中南大学学报(自然科学版). 2013(07)
硕士论文
[1]PVD氮化物及类金刚石硬质涂层的冲蚀磨损行为研究[D]. 李巾杰.山东大学 2019
[2]不同基体表面氮化物涂层冲蚀磨损特性研究[D]. 邹雪倩.山东大学 2018
[3]ZrTiAlN涂层的制备及其冲蚀磨损机理研究[D]. 黄志翔.湖南工业大学 2016
[4]CrAlN基单层及纳米多层涂层的微观结构、力学性能及超硬效应研究[D]. 郑康培.上海理工大学 2011
本文编号：3528281
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