PVD氮化物涂層的沖蝕磨損特性及機(jī)理的研究.pdf

1、在許多工程領(lǐng)域，固體粒子的沖蝕磨損是個(gè)嚴(yán)重的問題。涂層作為零部件表面的屏障，可以有效地保護(hù)處在沖蝕環(huán)境中工作的零部件，免受固體粒子的沖蝕。物理氣相沉積(P‘VD)是一種適用于制備較小厚度涂層且對(duì)基體材料的力學(xué)性能影響很低的涂層技術(shù)。因而，近年來，利用PVD涂層來提高零部件的抗沖蝕性能成為涂層應(yīng)用中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文采用PVD技術(shù)制備了TiN、TiAlN、CrN、CrAlN、CrAlTiN涂層，對(duì)這些氮化物涂層的沖蝕磨損特性和磨損機(jī)理進(jìn)

2、行了研究。
　　 以硬質(zhì)合金WC/TiC/Co、WC/Co和不銹鋼1Cr18Ni9Ti三種材料為基體，采用離子束輔助真空脈沖過濾弧沉積技術(shù)制備TriN、TiAlN、CrN和CrAlN四種涂層，采用非平衡磁控濺射技術(shù)沉積CrAlTiN涂層。通過對(duì)涂層的相組成、組織形貌、元素分布和微區(qū)成分的分析，以及對(duì)涂層的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)與結(jié)合界面的微觀形貌的研究，發(fā)現(xiàn)涂層的主要相組成為相應(yīng)的氮化物，涂層致密，涂層元素分布均勻，涂層與基體結(jié)合良好，涂層

3、與基體中某些元素在界面處存在相互擴(kuò)散，涂層與基體界面結(jié)合機(jī)制為機(jī)械結(jié)合與元素的相互擴(kuò)散。對(duì)涂層的物理機(jī)械性能進(jìn)行了檢測(cè)，得到涂層的厚度、顯微硬度、彈性模量、結(jié)合力及殘余應(yīng)力等性能參數(shù)。在所研究的氮化物涂層中，以TiAlN涂層的顯微硬度最高，硬度值為32.40 GPa，CrN涂層的硬度值最低，只有16.50 GPa；TiAlN彈性模量最高為580 GPa，CrN涂層的彈性模量最低，僅有360 GPa；以WC/Co基體上CrAlN涂層的結(jié)合

4、力最高，其值為88.56 N，以WO/Co基體上CrAlTiN涂層的結(jié)合力最低，為48.36 N；硬質(zhì)合金基體上涂層的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而不銹鋼基體上涂層的殘余應(yīng)力多為拉應(yīng)力。
　　 通過對(duì)涂層沖蝕磨損試驗(yàn)結(jié)果的分析，揭示了不同基體上各涂層的沖蝕磨損特性。WC/TiC/Co基體上四種涂層與基體的沖蝕磨損率由低到高的順序?yàn)門iAlN

5、的1/4倍；WC/Co基體上四種涂層與基體的沖蝕磨損率由低到高的順序?yàn)镃rAlN　　 通過對(duì)涂層物理機(jī)械性能與沖蝕磨損性能的關(guān)系進(jìn)行分析，揭

6、示了涂層機(jī)械性能對(duì)沖蝕磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)涂層的硬度和彈性模量對(duì)涂層沖蝕性能的影響不是單因素作用，而是綜合起作用。通過分析不同基體材料的特性與涂層沖蝕磨損率的關(guān)系，揭示了基體材料性能對(duì)涂層沖蝕性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)涂層沖蝕性能并不取決于基體硬度，基體彈性模量與涂層彈性模量相當(dāng)時(shí)，涂層沖蝕率較低。
　　 通過對(duì)涂層表面微觀形貌的觀察與分析，研究了各涂層的沖蝕表面形貌特征，發(fā)現(xiàn)沖蝕破壞開始于涂層表面組織的生長缺陷。用離子束輔助真空

7、脈沖過濾弧技術(shù)沉積涂層的破壞從涂層表面的宏觀粒子和空穴開始，采用磁控濺射技術(shù)沉積涂層的破壞從表面的空穴開始。
　　 基于壓痕斷裂力學(xué)理論，建立了尖銳粒子沖蝕條件下涂層沖蝕磨損模型，并結(jié)合涂層的沖蝕形貌，分析了該模型的有效性。對(duì)單個(gè)尖銳粒子沖蝕條件下涂層材料的去除體積進(jìn)行了分析，用涂層的機(jī)械性能參數(shù)硬度H和彈性模量E來描述單個(gè)尖銳粒子沖蝕條件下涂層的去除體積函數(shù)，揭示了涂層機(jī)械性能對(duì)去除體積的影響。
　　 通過對(duì)涂層沖蝕磨

8、損表面宏觀形貌、微觀形貌及沖蝕斷面微觀形貌進(jìn)行綜合分析，揭示了涂層的沖蝕磨損機(jī)理。TiN涂層的沖蝕磨損機(jī)理以涂層材料的脆性疲勞斷裂為主，TiAlN涂層的沖蝕磨損機(jī)理隨基體不同而有差別：WC/TiC/Co基體上TiAlN涂層材料去除方式主要有微切削和脆性疲勞斷裂。WC/Co基體上TiAlN涂層材料去除以脆性疲勞斷裂為主；1Cr18N1i9Ti基體上TiAlN涂層，涂層的去除方式有微切削、塑性疲勞斷裂和脆性疲勞斷裂三種。CrN涂層材料的主要