陶瓷-金属多层涂层不同温度循环冲击损伤特征与演化规律

目的探讨环境温度对陶瓷-金属多层涂层冲击损伤的影响,获得不同温度条件下涂层的冲击损伤特征,揭示陶瓷-金属涂层在温度与循环冲击共同作用下的失效机理,为多层涂层的设计和使用提供参考。方法首先使用可调温度的速度控制型单颗粒循环冲击设备,对陶瓷-金属多层涂层在不同温度(35、200、350、500℃)下进行垂直冲击试验。采用白光干涉仪、光学显微镜和扫描电镜观察冲击坑的形貌和微观结构,结合不同温度时涂层纳米硬度和弹性模量来分析其损伤机理。结果温度较低(35、200℃)时,圆周裂纹是涂层的主要损伤形式,涂层冲击坑深度在达到稳定后增长缓慢;温度较高(350、500℃)时,涂层损伤特征由圆周裂纹向径向裂纹和剥落转化,冲击坑深度的增长速度较快。当温度从35℃提高到500℃时,涂层纳米硬度从31.22 GPa下降到11.18 GPa,H^(3)/E^(2)从38.38×10^(‒2) GPa下降到2.85×10^(‒2) GPa,涂层的峰值冲击力和能量吸收率分别从167.8 N和72.44%增长到184.6 N和82.37%,加剧涂层的损伤,使涂层冲击坑深度从4.74μm增长到11.58μm。结论陶瓷-金属多层涂层的冲击损伤特征和性能受温度影响,温度升高使得涂层的纳米硬度和韧性H^(3)/E^(2)同时降低,循环冲击条件下的峰值冲击力和能量吸收率均增大,相同循环次数时,将增大涂层的冲击损伤深度。

离子注入对TC4钛合金TiN/Ti涂层结合力和抗砂尘冲蚀性能的影响

目的通过离子注入提高TiN/Ti涂层的结合力和抗冲蚀性能。方法先采用金属蒸气真空弧(MEVVA)离子源在TC4基体上分别注入四种离子(Mo、Ti、Nb、Co),再用磁过滤真空阴极弧(FCVA)技术制备TiN/Ti涂层。采用非球面测量仪、AFM、XRD和纳米压痕仪,对四种离子注入的TC4基体表面粗糙度、表面形貌、物相结构、纳米硬度和弹性模量进行表征,采用划痕仪测量涂层的结合力,采用涂层冲蚀考核平台对不同试样进行砂尘冲蚀性能试验。结果经过Mo、Ti、Nb离子注入的TiN/Ti涂层的结合力和抗冲蚀性能都有提高,其中Mo离子注入的TiN/Ti涂层的结合力达71 N、耐冲蚀时间为80 min,与未离子注入涂层相比,分别增加31.5%和77.8%,而平均冲蚀率降低39.5%,仅为0.0078mg/g。Co离子注入的TiN/Ti涂层的结合力仅为40 N,平均冲蚀率增大了19.0%,达0.0433 mg/g,其抗砂尘冲蚀性能明显下降。结论离子注入涂层的抗砂尘冲蚀性能与结合力密切相关,随着结合力的增大,TiN/Ti涂层的平均冲蚀率减小,其耐冲蚀时间增加,选择合适的离子注入可提高TiN/Ti涂层的抗冲蚀性能。

激光冲击强化前处理对TiN/Ti涂层/基体疲劳性能的影响

采用磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面沉积抗冲蚀多层梯度TiN/Ti涂层,沉积前对基体进行激光冲击强化前处理。采用原子力显微镜、纳米压痕和划痕仪表征了试件的表面形貌、基本力学性能等,对试件的疲劳性能进行了考核,并分析了疲劳断口形貌。结果表明,LSP前处理在TC4表面形成了厚度约为300μm,具有高硬度和残余压应力的硬化层。TC4合金基体的平均疲劳强度为373.8 MPa,制备TiN/Ti涂层后试件的疲劳强度为363.7 MPa,较基体略有降低。增加LSP前处理后试件的疲劳强度为411.9 MPa,较TiN/Ti涂层试件提高13.3%,较无涂层试件提高10.2%。TiN/Ti涂层可以抑制表面上的裂纹萌生并减缓其扩展速率,但在拉伸过程中发生破碎而与基体发生剥离,裂纹抑制效果有限,且涂层的破裂促进了裂纹扩展。采用LSP前处理后,TC4表面形成的硬化层增加裂纹萌生难度,且提高的结合强度可降低裂纹扩展速率。