汽輪機末級葉片抗水蝕氮化碳-氮化鈦復合涂層制備及其相關(guān)基礎(chǔ)研究.pdf

1、采用中頻磁控濺射和多弧輔助中頻磁控濺射技術(shù)在硅片、不銹鋼、高速鋼以及硬質(zhì)合金等基體材料上制備C3N4涂層和C3N4/TiN納米復合涂層，系統(tǒng)研究了C3N4涂層和C3N4/TiN納米復合涂層的結(jié)構(gòu)、物理性能、摩擦磨損、抗水蝕性能，相關(guān)基礎(chǔ)研究成果在汽輪機末級葉片上得到了應用。主要結(jié)論如下： (1)采用中頻磁控濺射技術(shù)在硅片上合成純C3N4薄膜，X射線衍射分析表明薄膜中含有α和β兩種結(jié)構(gòu)的C3N4相，其中β相是C3N4薄膜的主要結(jié)晶

2、相。光電子能譜和傅立葉紅外光譜分析表明，薄膜中的C、N原子比值在1.06～1.24之間，C原子主要以sp2和sp3兩種雜化狀態(tài)存在，C、N原子以C-N鍵為主要鍵合方式。 (2)研制了多弧-中頻磁控濺射系統(tǒng)，在2Cr13不銹鋼和高速鋼基體上沉積C3N4/TiN納米復合涂層，所制備涂層硬度超過40GPa，屬于超硬涂層。AFM和SEM分析顯示多弧-中頻磁控濺射制備的C3N4/TiN涂層表面狀況良好、涂層與金屬襯底結(jié)合牢固。 (

3、3)通過對涂層的性能測試及熱沖擊試驗和摩擦磨損性能測試，發(fā)現(xiàn)涂層硬度和附著力受基體材料影響。在涂層的熱沖擊試驗中，2Cr13不銹鋼基體上C3N4/TiN復合涂層抗熱沖擊性能良好，在400℃以下，涂層幾乎沒有變化。在550℃時，發(fā)現(xiàn)在涂層的表面出現(xiàn)氧化物。摩擦磨損試驗發(fā)現(xiàn)隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)有逐步增加的傾向，同時涂層和對偶球的磨損也逐步增加。C3N4/TiN復合涂層具有良好的抗摩擦磨損性能。 (4)在探討汽輪機末級葉片水蝕失效

4、機理的基礎(chǔ)上，研制了水蝕試驗裝置并對設(shè)備的基本參數(shù)進行了測試。不銹鋼基體、高鉻鑄鐵、鈷基合金的水蝕速率和水蝕破壞機理研究表明，研制的設(shè)備能對水蝕狀況進行很好的模擬，設(shè)備具有操作簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點。 (5)高鉻鑄鐵、鈷基合金和涂C3N4/TiN涂層的2Cr13不銹鋼等不同材料的抗水蝕性能對比試驗發(fā)現(xiàn)，2Cr13不銹鋼基體上C3N4/TiN涂層的抗水蝕性能比2Cr13不銹鋼基體提高了將近50倍，優(yōu)于目前國內(nèi)外廣泛使用的鈷

5、基合金，比鈷基合金提高了3倍。 (6)2Cr13不銹鋼基體上C3N4/TiN涂層的水蝕破壞形貌研究發(fā)現(xiàn)，當水滴撞擊次數(shù)達到一定的次數(shù)后，在涂層的最表面，裂紋從應力集中區(qū)域萌生，隨著水滴撞擊次數(shù)的增加而擴展，最后導致最表面一定數(shù)量的涂層脆性斷裂，當最表面涂層脆斷剝落之后，水滴直接作用在涂層次表面上，涂層的斷裂方式為逐層脆斷方式。 (7)上述研究成果在電廠50MW汽輪機2Cr13不銹鋼末級葉片上得到了應用，C3N4/TiN復