非平衡磁控溅射CrTiAlN涂层的制备及空蚀性能研究

目的 为缓解动力系统金属表面发生的空泡失效问题,提高水下装备推进系统在复杂多变环境中的综合服役性能,将涂层技术用于金属材料的表面防护。方法 基于正交实验设计,采用非平衡磁控溅射技术在AISI316不锈钢基体上制备CrTiAlN涂层。采用XRD、SEM、EDS和AFM等测试手段对涂层的物相、形貌、成分和表面粗糙度进行表征;采用维氏硬度计、划痕仪和洛氏硬度计对涂层的显微硬度和膜基结合力进行测试与评估;通过球–盘磨损实验、电化学测试和空蚀实验,分别评价涂层的耐干摩擦磨损、耐腐蚀和抗空蚀性能。结果 实验结果表明,利用正交试验设计调控Cr、Ti和Al靶电流,基于涂层硬度得到最佳靶电流分别为4、8、8 A,此时涂层显微硬度达到1 242HV0.01,纳米硬度为(17.00±0.99) GPa,远高于316不锈钢;涂层的摩擦因数和磨损率远低于316不锈钢;在质量分数为3.5%的Na Cl溶液中,涂层的腐蚀电位较高,腐蚀电流较小,具有较好的耐腐蚀性能,采用涂层保护后316不锈钢的寿命得到显著提高;在空蚀实验后,316不锈钢的粗糙度从4.5nm增至112.0nm,并出现空蚀坑,而CrTiAlN涂层只出现了褶皱,其粗糙度从4.8 nm增至10.0 nm,仅在涂层缺陷处发生了零星剥落现象。可见,CrTiAlN涂层有效缓解了空蚀的冲击作用,提高了316不锈钢的抗空蚀性能。结论 可将CrTiAlN涂层作为防护涂层,并应用于水利工程装备关键部件。