Effects of surface roughness of substrate on properties of Ti/TiN/Zr/ZrN multilayer coatings

Ti/TiN/Zr/ZrN multilayer coatings were deposited on Cr_17Ni_2 steel substrates with different surface roughnesses by vacuum cathodic arc deposition method. Microstructure, micro-hardness, adhesion strength and cross-sectional morphology of the obtained multilayer coatings were investigated. The results show that the Vickers hardness of Ti/TiN/Zr/ZrN multilayer coating, with a film thickness of 11.37 μm, is 29.36 GPa. The erosion and salt spray resistance performance of Cr_17Ni_2 steel substrates can be evidently improved by Ti/TiN/Zr/ZrN multilayer coating. The surface roughness of Cr_17Ni_2 steel substrates plays an important role in determining the mechanical and erosion performances of Ti/TiN/Zr/ZrN multilayer coatings. Overall, a low value of the surface roughness of substrates corresponds to an improved performance of erosion and salt spray resistance of multilayer coatings. The optimized performance of Ti/TiN/Zr/ZrN multilayer coatings can be achieved provided that the surface roughness of Cr_17Ni_2 steel substrates is lower than 0.4μm.

真空阴极离子镀法制备Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜

过去,在不锈钢上沉积10μm以上多元多层软硬交替Ti/TiN/Zr/ZrN厚膜用以提高材料耐腐蚀性能的报道不多。采用阴极电弧离子镀结合脉冲偏压的方法制备了厚度达15μm的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜。运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、显微硬度计、划痕仪等考察了多层膜的形貌、厚度、相组成、硬度以及膜/基结合力,并利用电化学方法评价了基体、单层TiN薄膜以及多层膜的电化学腐蚀性能。结果表明:制备的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜界面明晰、结构致密、晶粒细小;膜/基结合力大于70 N,显微硬度达28 GPa;多层膜比单层TiN膜在提高1Cr11Ni2W2MoV基体的抗腐蚀能力方面具有更显著的作用。

钛合金及其表面沉积Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的冲蚀行为

采用多弧离子镀技术在TC11钛合金表面制备了厚度为18.7μm的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜,用45μm白刚玉通过微喷砂试验机评价TC11钛合金及Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜在30°和90°攻角下的抗冲蚀性能,并分析其冲蚀机理。结果表明:30°攻角下,冲蚀砂量为70g时,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜被冲破,此时该多层膜的冲蚀坑深度为21.88μm,TC11钛合金基材为269.9μm。90°攻角下,冲蚀砂量为20g时,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜被冲破,此时该多层膜的冲蚀坑深度为8.95μm,TC11钛合金基材为46.96μm。30°攻角下,钛合金的冲蚀以微切削为主,多层膜以微切削和微断裂为主。在90°攻角下,钛合金的冲蚀以点坑冲蚀为主,多层膜以裂纹萌生扩展和点坑冲蚀的混合冲蚀为主。

Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜对1Cr17Ni2不锈钢疲劳性能的影响

采用真空阴极电弧沉积技术在1Cr17Ni2马氏体型不锈钢表面沉积Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜。研究对比了在室温下膜层试样与基体试样的旋转弯曲疲劳强度、疲劳寿命和疲劳断裂机理。结果表明:在不锈钢基体上沉积厚度为11.7μm,硬度为3 220HV0.025,膜/基结合力为56N的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜后,其疲劳性能显著提高,膜层试样较基体试样的疲劳极限提高了约11.2%,当应力水平在540～650 MPa变化时,疲劳寿命增量变化范围为108%～246%;裂纹均起源于表面,在低应力水平下只有一个裂纹源,而高应力水平下有多个裂纹源;疲劳性能的提高主要是由于膜层能够弥补基体表面一定的缺陷,同时软硬交替的膜层结构有较强的抗裂纹扩展能力。

Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜对钛合金疲劳性能的影响

采用真空阴极电弧沉积技术在TC11钛合金基体上沉积约10μm厚的Ti/Ti N/Zr/Zr N多层膜,通过对比镀膜前后试样的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、疲劳寿命,以及断口形貌,研究沉积Ti/Ti N/Zr/Zr N多层膜对基体疲劳性能的影响,探讨疲劳断裂机理。结果表明:多层膜对TC11钛合金基体材料的屈服强度和抗拉强度影响不大,但由于膜层硬而脆而降低了基体材料的收缩率和延伸率;多层膜提高基体材料的疲劳极限;低应力下,裂纹源在多层膜表面萌生,并向内部扩展,在多层结构的膜层界面处受到阻碍,发生偏转,从而提高基体疲劳寿命;高应力下,膜层容易破裂,裂纹源增多,降低基体疲劳寿命;应力水平在520 MPa到650 MPa范围内,疲劳寿命增量从+40.82%降到-36.88%。

调制周期对Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜性能的影响

采用真空阴极电弧沉积技术,在TC11钛合金表面沉积同等厚度的三种不同调制周期Ti-Ti N-Zr-Zr N软硬交替多层膜。用扫描电镜、显微硬度计、结合力划痕仪和砂粒冲刷试验仪分析测试了多层膜的厚度、表面及截面形貌、硬度、膜/基结合力和抗砂粒冲蚀磨损性能等;重点研究了调制周期的改变对多层膜性能的影响。结果表明:随着周期数的增加,单一调制周期变薄,膜层中金属"液滴"颗粒等缺陷减少,同时也增加了大量的层间界面;层界面之间反复形核,晶粒细化,有利于多层膜表面光洁度、致密度、硬度、结合力和抗砂粒冲蚀能力的改善。

钛合金表面Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜制备及性能

采用多靶位真空阴极电弧沉积技术,在TC11钛合金表面制备24周期的Ti-TiN-Zr-ZrN软硬交替多元多层膜。用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、结合力划痕仪、球-盘摩擦磨损试验仪、砂粒冲刷试验仪和3D表面形貌仪,研究多层膜的表面及截面形貌、相结构、厚度、硬度、膜/基结合力、摩擦磨损性能和抗砂粒冲蚀性能。结果表明:所制备TiTiN-Zr-ZrN多层膜厚度约为5.8μm,维氏显微硬度为28.10GPa,膜基结合力为56N;TC11钛合金表面镀多层膜后耐磨性提高了一个数量级,体积磨损率由7.06×10^(-13) m^3·N^(-1)·m^(-1)降低到3.03×10^(-14) m^3·N^(-1)·m^(-1);多层膜软硬层交替的结构,受砂粒冲蚀时裂纹扩展至金属软层时应力的缓冲而出现偏转,对TC11钛合金有良好的抗砂粒冲蚀保护作用。

Zr处理对含Ti低碳微合金钢中氮化物的影响

以含Ti低碳微合金钢为研究对象,通过实验和热力学计算研究了Zr质量分数对钢中氮化物的影响规律.结果表明:随着钢中Zr质量分数由0.0020%增加至0.0200%,钢中氮化物数量密度和面积占比明显增加,氮化物类型逐渐由TiN变为(Ti y,Zr 1-y)N,(Ti y,Zr 1-y)N中Zr/Ti原子数比逐渐增加,(Ti y,Zr 1-y)N由以TiN为主转变为以ZrN为主.热力学计算结果发现精炼过程无TiN,ZrN等氮化物析出,氮化物主要在凝固过程析出.当钢中Zr质量分数为0.0020%时,凝固过程只有TiN析出;而当Zr质量分数≥0.0046%,逐渐有ZrN在凝固末期析出.随着凝固过程温度的降低,(Ti y,Zr 1-y)N具备热力学析出条件.当钢中Zr质量分数由0.0046%增加至0.0200%,(Ti y,Zr 1-y)N开始析出温度逐渐增加,TiN在(Ti y,Zr 1-y)N中占比逐渐减小.最后,当采用Zr-Ti复合脱氧时,钢中Zr质量分数应控制在0.0020%~0.0050%.

调质结构对Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜力学性能影响

采用真空阴极电弧离子镀技术,在TC11钛合金和单晶Si片表面分别沉积不同调制周期、不同R_(Ti/TiN):RZr/ZrN调制比和不同厚度的Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜。用扫描电镜、X射线衍射仪、划痕仪、显微硬度计和应力测试仪分析测试了多层膜的截面形貌、厚度、结合力、硬度和残余应力;重点研究了调制周期、调制比和膜层厚度等调制结构的改变对多层膜残余应力和相关性能的影响。结果表明:增加调制周期,则残余应力降低,结合力和硬度均增大;降低R_(Ti/TiN):RZr/ZrN调制比,则残余应力增大,结合力下降,硬度增加;增大多层膜厚度,则残余应力略有上升,结合力和硬度都提高,当膜层厚度达到7.54μm后,硬度稳定在30 GPa左右。

抗冲蚀磨损涂层的研究及应用进展

随着技术的发展,传统的结构材料难以满足抗冲蚀磨损的使用要求,抗冲蚀磨损防护涂层是有效提高装备和材料使用寿命的有效途径之一.概括介绍了抗冲蚀磨损涂层的制备方法,主要包括涂覆、电镀、热喷涂、激光熔覆和气相沉积技术等,以及各种方法所制备的抗冲蚀磨损涂层体系及特点.重点阐述了利用物理气相沉积技术所制备的抗冲蚀磨损涂层的体系,主要包括二元、多元涂层及多层复合涂层,特别对多层复合涂层在抗冲蚀磨损防护方面的优势进行分析,最后系统地介绍了国际上物理气相沉积抗冲蚀涂层的研制进展及应用情况.

1Cr17Ni2压气机叶片多层膜制备及耐蚀性研究

采用真空电弧离子镀技术在1Cr17Ni2不锈钢基体表面沉积Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜,并对膜的形貌、相结构、结合力以及极化曲线和交流阻抗等电化学性能进行分析和测试。结果表明:制备的Ti/TiN/Zr/ZrN膜界面清晰、结构致密、晶粒细小,膜层厚度约为2~3μm,膜层的主要物相为TiN和ZrN两相,以及少量的金属Ti和Zr;膜层与基体结合良好,结合力大于70 N,显微硬度(HV_(0.025))高达29 000 MPa,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜与1Cr17Ni2基材相比,具有更高的极化电位和极化电阻,更低的腐蚀电流密度,更大容抗弧。