锆合金表面镀Cr/TiAlN涂层的抗高温水蒸气氧化性能研究

利用多弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备了Cr+TiAlN复合涂层。采用多种分析手段研究了涂层在1200℃高温水蒸气环境下的抗氧化性能。利用X射线衍射分析涂层的物相成分;利用扫描电镜观察涂层表面的微观形貌;利用能谱对涂层元素种类与含量进行分析;采用自动划痕仪对涂层的力学性能进行检测。结果表明:多弧离子镀膜层表面均匀平整、致密度大,但存在一定数量的微孔洞及大颗粒。镀有Cr/TiAlN涂层试样的氧化速率远低于原始锆合金的氧化速率,抗高温水蒸气氧化性能优于原始Zr-4合金,且单位面积的氧化增重量仅为原始Zr-4合金的36%。划痕实验结果表明,膜基结合力为26 N,膜基结合性能良好。

CrN/TiAlN多层涂层的微观结构和摩擦磨损性能

特种装备车辆往往在高速、高冲击等复杂环境下运行,底盘选装密封件表面容易被磨损造成密封失效,在密封工作面制备硬质涂层是提高服役寿命、延长维修周期的重要方法。采用物理气相沉积法在45#钢表面制备单层CrN涂层和不同过渡层厚度的多层CrN/TiAlN涂层,用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、表面轮廓仪、纳米压痕仪和往复式摩擦磨损试验机,研究涂层的微观结构、机械性能和摩擦磨损性能。结果表明单层CrN涂层厚度为0.87μm,其硬度和模量最小为19.49 GPa和160.53 GPa。CrN/TiAlN多层涂层的硬度和模量明显提高,且随过渡层厚度增加而增大,4CrN/TiAlN涂层的硬度和模量可达到39.86 GPa和386.72 GPa。在空气环境下的摩擦磨损试验中,单层CrN涂层被快速破坏;CrN/TiAlN多层涂层的平均摩擦因数随着过渡层厚度的增加先增大后减小,最大磨损深度和磨痕截面积不断下降。4CrN/TiAlN涂层具有最优摩擦磨损性能,其平均摩擦因数为0.792 5,磨痕截面积为315.09μm^(2),磨损机理为磨粒磨损和少量粘着磨损。提高过渡层厚度能够降低基体的塑性变形,降低涂层与基体的物理性能差异,减少涂层开裂并提高涂层摩擦磨损性能。通过调控过渡层厚度获得性能优异的CrN/TiAlN多层涂层,研究成果可应用于车辆旋转密封件上,显著提高密封工作面耐磨损性能。

硬质合金表面预处理状态对TiAlCrSiN/TiAlN涂层结构与机械性能的影响

采用电弧离子镀工艺在不同预处理后的硬质合金表面制备TiAlCrSiN/TiAlN涂层,采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、压痕法等研究硬质合金表面形态和涂层结构、力学性能和结合强度。结果表明:抛光处理后的硬质合金表面十分平整,表面粗糙度低至7.7 nm。酸洗处理使硬质合金表层Co相溶解而暴露出更多的硬质相,表面粗糙度增大,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在酸洗处理的硬质合金上生长速率增大,晶粒细小,硬度和弹性模量高,但硬模比较低。喷砂处理使Co相塑性变形而包络更多的硬质相,表面粗糙度大幅增加,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在喷砂处理的硬质合金上生长速率稍降低,晶粒粗大,硬度和弹性模量小,但硬模比较高。酸洗+喷砂复合处理的硬质合金表面TiAlCrSiN/TiAlN涂层的硬度、弹性模量、硬模比介于两种单独处理方式的之间。

超声速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层对TC11钛合金耐磨性和耐蚀性的影响

采用超声速火焰喷涂(HVOF)工艺,在随钻仪器零件常用材料TC11钛合金表面制备金属陶瓷涂层WC-10Co4Cr,利用冲击试验机测量喷涂前后钛合金的冲击韧性,使用磨粒磨损试验机测定涂层的耐磨性,采用电化学测试分析涂层的耐蚀性。结果表明:HVOF工艺对TC11钛合金的组织和性能影响较小,与未喷涂的钛合金相比,界面处基体的显微组织和显微硬度没有明显变化,冲击韧性稍有提高;HVOF工艺稳定可靠,涂层呈片层结构,致密度高,涂层的孔隙率为2.55%,硬度达到1400 HV,涂层主要由WC和W2C相组成,其与基体结合良好,为机械结合;金属陶瓷涂层能够显著改善钛合金的耐磨性和耐蚀性,喷涂涂层钛合金的磨损量是未喷涂钛合金的1.56%,喷涂涂层钛合金的磨损机制是磨粒磨损,未喷涂涂层钛合金磨损机制是磨粒磨损+黏着磨损。

锆合金包壳Cr涂层界面元素扩散行为研究进展

随着核反应堆向高燃耗和更长服役寿命方向发展,对包壳材料的安全可靠性提出了更高的要求。锆合金表面Cr涂层由于其优异的抗高温氧化性能、耐腐蚀性能以及与基体良好的兼容性,被认为是最有前景的耐事故涂层包壳材料。综述了近年来涂层Cr与基体Zr界面元素扩散行为的研究成果,重点介绍了Cr涂层不同状态下的界面结构及演变规律,包括沉积、退火、辐照、氧化等状态。总结了Cr的扩散、分布和金属间化合物Zr-Cr-(Fe)层的生长动力学模型,归纳了界面扩散对涂层结构及性能的不利影响。扩散阻挡层是一种抑制涂层与基体互扩散的有效结构,介绍了阻挡层设计制备原则以及现有的和潜在的金属或陶瓷阻挡层材料,分析了2类典型阻挡层的优缺点。金属阻挡层能抑制Cr的扩散并延迟Cr-Zr共晶反应,但需要考虑中子经济性;虽然陶瓷阻挡层阻隔元素扩散的性能优异,但由于其与锆合金力学性能和热膨胀系数的差异明显,易产生微裂纹,需要考虑其抗裂性。最后提出了采用实验与分子动力学等相结合的多尺度研究方法开展界面研究,同时指出了目前研究工作中亟待解决的关键问题,这为后续的锆合金表面耐事故涂层研究与开发提供了重要参考。

表面等离子渗氮对TiAlN涂层TiCN基金属陶瓷性能的影响

针对TiCN基金属陶瓷,调节不同N_(2)/Ar流量比对其进行等离子渗氮,并在渗氮样品表面沉积TiAlN涂层。采用GIXRD、EDS、SEM、HR-TEM、划痕测试、纳米压痕测试和光学图像测试仪等研究了渗氮过程N_(2)/Ar流量比对涂层组织结构、膜基界面状态、力学性能和涂层金属陶瓷刀片切削性能的影响。结果表明,随着N_(2)/Ar流量比的提高,TiAlN涂层晶粒逐渐细化,涂层厚度不断降低,基体表面仍有黏结相残留,进而影响表面涂层的生长和性能。当N_(2)/Ar流量比为1时,膜基界面处存在硬质相生长区和富黏结相生长区两种涂层生长区域,涂层在硬质相表面为共格外延生长,富黏结相区域存在原子排列紊乱的过渡区,涂层为半共格外延生长;涂层(200)晶面取向最强,织构系数为1.91;涂层硬模比(H/E)最高,为0.094。当N_(2)/Ar流量比为2时,TiAlN涂层的硬度和弹性模量均最高,分别为34.15GPa和416.64GPa。在切削加工过程中,切削接触区域主要发生磨粒磨损和粘着磨损。当N_(2)/Ar流量比为1时,涂层TiCN基金属陶瓷刀片切削性能最佳。

Cr涂层对Zr-4合金蠕变行为的影响

报道化学气相沉积Cr涂层对Zr-4合金蠕变性能的影响以及Cr涂层在服役温度下的热稳定性。利用扫描电镜、电子探针显微分析和电子背散射衍射研究样品的显微组织。结果表明:样品Zr-4基体中晶粒呈等轴状,存在明显的<0001>//ND织构。蠕变后涂层样品的Zr-4合金基体中亚晶界数量明显低于无涂层样品Zr-4合金基体中亚晶界数量,表明Cr涂层显著降低了Zr-4合金基体在蠕变过程中承载的应力,提高了合金的抗蠕变性能。Cr涂层在长时间扩散实验中保持高稳定性。涂层在高蠕变应力下(350℃时不小于157 MPa,400℃时不小于137 MPa)出现裂纹。系统总结蠕变断裂的数据,得到了关于稳态蠕变速率与蠕变断裂时间的Monkman-Grant关系式。

硅、铬掺杂对TiAlN基涂层微观结构及摩擦学性能的影响

分别以Ti_(0.5)Al_(0.5)、Ti_(0.5)Al_(0.4)Cr_(0.1)、Ti_(0.5)Al_(0.4)Si_(0.1)为靶材,采用电弧离子镀技术制备了TiAlN涂层、TiAlSiN涂层和TiAlCrN涂层,研究了硅、铬掺杂(二者掺杂量近似相同)对TiAlN基涂层微观结构、力学性能以及摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层、TiAlSiN涂层和TiAlCrN涂层均结构致密,与基体结合良好,呈柱状晶生长,呈现较强的(200)晶面择优取向;硅、铬元素掺杂使得涂层晶粒细化,其中硅元素掺杂形成的Si_(3)N_(4)非晶相对(Ti,Al)N纳米晶生长有抑制作用,TiAlSiN涂层的晶粒尺寸最小。硅、铬元素掺杂提高了涂层的硬度和内应力,并且硅掺杂的提升效果更好;硅、铬掺杂降低了涂层的硬度与弹性模量的比值和结合力,并且硅掺杂的降低幅度更大,TiAlSiN涂层的韧性最差;硅元素和铬元素的掺杂均能降低TiAlN涂层的摩擦因数和磨损率,硅掺杂对摩擦因数的降低幅度高于铬掺杂,对磨损率的降低幅度低于铬掺杂。

元素掺杂对TiAlN涂层刀具性能影响的研究进展

随着我国制造业的快速发展与难加工材料的接连涌现,迫切需要切削技术不断更新迭代,而切削刀具的发展成为提升加工效率的关键因素。近年来,涂层技术成为提高刀具切削性能的有效途径,特别是TiAlN涂层凭借良好的耐磨性与稳定性,被广泛应用于切削刀具。然而,传统TiAlN涂层刀具难以承担热力化多重耦合的苛刻工况。如何通过元素掺杂,形成固溶强化与细晶强化,便捷、高效地提升TiAlN涂层刀具的切削性能,成为该领域的研究热点。针对此问题,本文概述了TiAlN涂层的作用机理与制备方法,分析了不同工艺所获涂层的微观形貌与物相结构,阐述了高温工况TiAlN涂层由于氧化与相变导致的使用局限性,着重综述了掺杂Si,C,Cr,B与V元素对TiAlN涂层微观结构、硬度、耐磨性、抗氧化性与刀具使用寿命的影响,最后对TiAlN涂层刀具的未来发展进行了总结。

溅射功率对直流磁控溅射TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响

在室温下采用直流磁控溅射技术在304L不锈钢表面制备TiAlN涂层,研究了溅射功率(80,100,120,140,160 W)对TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层由面心立方结构的TiAlN相以及少量TiN和AlN相组成。随着溅射功率的增加,TiAlN涂层变厚,表面晶粒更加致密,但溅射功率160 W下制备的涂层表面大颗粒较多,晶粒尺寸先变小后变大,结合力先增大后减小,平均摩擦因数和比磨损率均整体呈先减小后增大的趋势;溅射功率140 W下制备的涂层具有最小的晶粒尺寸、最强的结合力、最小的平均摩擦因数和比磨损率,磨痕较平整且仅有少量磨屑,磨损机制为轻微的黏着磨损。

炮钢表面电弧离子镀Cr涂层的制备及磨损性能

为了增强炮钢表面的摩擦磨损性能,采用电弧离子镀技术在炮钢表面沉积硬Cr涂层和软Cr/硬Cr涂层。采用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪对炮钢和涂层的微观形貌、成分以及相组成进行表征。结果表明:在硬度和耐磨性方面,硬Cr涂层和软Cr/硬Cr涂层较炮钢基体均显著提升,其中软Cr/硬Cr涂层的纳米硬度最高,相较于炮钢,硬度提升了173%,并具有较高的H^(3)/E^(2)和H^(3)/E^(2 )值;在磨损方面,炮钢的磨损量最高,其次是硬Cr涂层,而软Cr/硬Cr涂层的磨损量最低。炮钢的磨损机理主要为粘着磨损和磨粒磨损,硬Cr涂层为轻微氧化磨损和磨粒磨损,而软Cr/硬Cr涂层为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损。

Cr涂层包壳管开裂行为的研究进展

耐事故燃料相比于核电站传统的(UO_(2)/Zr)体系,可以有效地在核反应堆的正常工况中提升反应堆安全性,同时也能抵御更长时间的极限事故,由于其制造工艺成熟,经济效益较高,Cr涂层锆合金包壳在近期被认为是ATF在包壳管上部署的主流方案。但Cr涂层包壳管在服役工况下的开裂行为与失效机制却还未被深入地研究和分析,本文将以正常服役工况和典型事故工况为目标导向,收集总结国内外Cr涂层堆外性能试验的相关数据,就Cr涂层包壳的失效机制预防提出一些建议,以期为后续国内Cr涂层包壳性能优化设计提供一定的数据和理论支持。

多弧离子镀CrAlSiN涂层对Cr12MoV钢显微硬度和耐磨性影响的研究

为了提高Cr12MoV表面的硬度和耐磨性能,采用多弧离子镀技术在淬火及氮化处理后的Cr12MoV冷作模具钢表面制备CrAlSiN涂层。结果表明:经淬火、氮化和镀膜处理后Cr12MoV钢的显微硬度得到提高,淬火后镀膜的硬度为3028 HV,氮化后镀膜的硬度为3471 HV,是基体硬度(283HV)的12倍以上。氮化处理后镀膜层的摩擦系数低于淬火后镀膜层的摩擦系数。综合对比各试样的硬度、耐磨性、摩擦系数可知,多弧离子镀CrAlSiN涂层前氮化处理的效果优于淬火处理的。

HiPIMS制备Cr/CrCN多层涂层的结构及耐腐蚀性能研究

PVD方法沉积的Cr涂层因耐腐蚀性能较差而难以大规模应用,利用复合多层膜层结构设计能打断贯穿性柱状晶生长,减小孔隙率,提高PVD沉积Cr涂层的耐蚀性。采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)耦合同步脉冲偏压技术,在316L不锈钢基体表面沉积Cr/CrCN多层涂层。利用SEM、XRD、EDS和Raman表征了涂层的形貌、组成与组织结构,采用电化学测试、酸性盐雾测试研究了4种不同甲烷流量下(5,15,25,35 sccm)制备的Cr/CrCN多层涂层的耐腐蚀性能。结果表明:引入CrCN中间层有效打断了柱状晶的贯穿性生长,涂层表现出致密平整的表面形貌;4种Cr/CrCN多层涂层均对基体具有较好的保护作用,涂层改性样品相比基体的腐蚀电流密度下降;酸性盐雾腐蚀48 h后,通入甲烷流量为25 sccm的多层涂层表面未出现明显的孔蚀现象,表现出最优异的耐腐蚀性能。HiPIMS制备Cr/CrCN多层涂层能够有效提高316L不锈钢的耐腐蚀性能,可为PVD镀Cr涂层的耐蚀性能优化设计和工业化应用提供参考。

切向位移对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳微动磨损的影响

随着核电技术更新迭代,由于传统Zr合金包壳存在安全性能缺陷,核燃料组件安全面临严峻挑战,探索开发新型核燃料包壳管成为核电安全防护领域的重点研究。以Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管(改良型ATF材料)为研究对象,探究切向位移对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管微动磨损行为及磨损机理的影响。采用白光干涉仪表征出Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面磨痕的三维形貌,对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面磨痕的截面轮廓以及磨损深度进行测算。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对表面磨痕的微观形貌以及元素组成进行表征。结果表明:随着切向位移增加最大磨损深度随之增加,微动运行状态由部分滑移逐渐转变为完全滑移,Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面的磨屑黏着现象逐渐减弱,磨损机理由黏着磨损转变为剥层磨损。所有试验中Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管存在明显的氧化磨损。从微观角度探索了接触模型为GTR构型的改良型ATF包壳材料微动磨损机理以及微动磨损行为,制备的Cr涂层能够提高Zr-1Nb合金包壳管的微动磨损性能,有效延长包壳管的服役寿命。

PVD、CVD涂层硬质合金刀片铣削2Cr13不锈钢磨损实验研究

2Cr13不锈钢是一种典型的难加工材料。在其铣削加工过程中,存在铣削力大、铣削温度高、加工硬化趋势强、切屑黏附性强、刀具磨损严重等问题。选用AlCrN(PVD)和TiCN-Al_(2)O_(3)-TiN(CVD)两款不同涂层的RCKT 1606圆形铣刀片,对2Cr13不锈钢进行铣削实验,并分析这两款涂层加工不锈钢的磨损性能及失效机理。结果表明:TiCN-Al_(2)O_(3)-TiN涂层刀片铣削加工10m以后,两个刀片的后刀面磨损量均超过了0.3mm,且切削刃发生崩刃失效;AlCrN涂层刀片铣削10m后,两个刀片的后刀面磨损量均超过0.12mm;在2Cr13不锈钢的铣削加工中,使用AlCrN(PVD)涂层可以有效提高刀具的切削寿命。

SUS321不锈钢表面Cr/CrN涂层的制备与抗氧化及耐腐蚀研究

采用磁控溅射技术,在SUS321不锈钢表面制备Cr/Cr N涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及分析天平等分别表征样品高温氧化及酸性盐雾腐蚀实验后的微结构及增重。结果表明,当磁控溅射气体分压比为P_(Ar)/P_(N_(2))=3∶1的涂层样品抗氧化性能及耐腐蚀性能最佳。在此基础上通过循环沉积制备了多层Cr/CrN涂层,6周期涂层样品在600℃氧化200 h后的单位面积增重为3.599 g/m^(2),表面氧化膜致密,没有出现剥落现象;6周期的涂层样品在酸性盐雾环境中能够保持480 h表面无变化,在放置500 h后边缘部位才开始出现轻微锈迹。固定磁控溅射气体分压比为P_(Ar)/P_(N_(2))=3∶1时,制备的6周期Cr/CrN多层膜涂层具有最佳的抗氧化及耐酸性盐雾腐蚀性能。

Zr-4合金表面Cr涂层长期水腐蚀行为研究

采用等离子增强物理气相复合沉积技术在Zr-4合金包壳管材外表面制备Cr涂层,在360℃水中采用高温高压釜对Cr涂层Zr-4合金开展300天的长期耐腐蚀性能研究。研究结果表明:Cr涂层致密且与基体结合良好,涂层内无裂纹、孔洞等缺陷;经300天腐蚀后,对比试样Zr-4表面生成约6μm氧化层,而Cr涂层管材表面生成的纳米级超薄Cr2O3钝化层可阻碍O原子向基体扩散,大幅度提升了锆合金包壳材料的耐腐蚀性能。同时,Cr在中性氧化性水质中将以HCrO4-离子的形式释放于水中,腐蚀300天后,Cr涂层厚度由原来的15μm减薄为6.2μm;半涂层Zr-4管材腐蚀300天后,涂层区与非涂层区界面处生成的ZrO2氧化层厚度约为6.1μm,与对比试样Zr-4管材生成的氧化层厚度相当,Cr和基体Zr-4之间不存在电化学加速腐蚀;Cr涂层试样的腐蚀吸氢约为对比试样Zr-4的1/2,Cr涂层包壳中氢化物的析出明显减少,有利于包壳性能提升。

WC-10Co4Cr涂层的制备工艺及性能研究

WC-10Co4Cr涂层具有高硬度和良好耐磨损性能,在航空领域应用广泛。采用超音速火焰喷涂法在A100钢表面制备了WC-10Co4Cr涂层,通过正交实验法确定最佳制备工艺,在最佳工艺条件下制备WC-10Co4Cr涂层,测试了涂层的显微硬度、残余应力、结合强度和摩擦系数。结果表明,最佳工艺条件是煤油流量为5.8 SCFH,氧气流量为1900 SCFH,喷涂距离为350 mm,送粉速率为9.5 r/min。在最佳工艺条件下制备的WC-10Co4Cr涂层平均显微维氏硬度为1137,硬度明显高于A100合金钢基底,残余应力造成的弧高值为0.373 mm,涂层的结合强度高于70.9 MPa。制备的WC-10Co4Cr涂层在显微硬度、残余应力和结合强度方面均能达到航空行业标准。WC-10Co4Cr涂层的磨损深度和磨损体积明显低于A100合金钢基底,具有更高的耐磨损性能。A100合金钢的磨损机制为黏着磨损,WC-10Co4Cr涂层的磨损机制为磨粒磨损。

磁控溅射镀膜技术在(Cr,Ti,Al)N涂层上的应用

过渡金属氮化物硬质涂层在切削刀具、精密模具和机械零部件等领域有着广泛的应用。随着切削技术的进步和难加工材料的增多,硬质涂层已由传统的二元涂层向着三元、四元涂层不断发展。(Cr,Ti,Al)N四元涂层因其优异的综合性能而备受研究人员的关注。本文从磁控溅射镀膜的基本原理和技术特点出发,介绍了制备(Cr,Ti,Al)N涂层常见的磁控溅射镀膜技术,分析了采用单质靶与合金靶沉积镀膜的效果及其各自的优缺点,研究了磁控溅射工艺参数对(Cr,Ti,Al)N涂层机械性能的影响,最后讨论了(Cr,Ti,Al)N梯度涂层的作用及其制备方法。本文可为设计(Cr,Ti,Al)N涂层制备工艺、改善(Cr,Ti,Al)N涂层性能提供理论参考与指导。