Ti-Al-Si-N多层梯度涂层的微观结构及力学性能研究

目的分析Ti-Al-Si-N多层梯度涂层微观结构特征和力学性能,得到涂层强化机制。方法采用阴极电弧离子镀镀膜工艺,使用4个靶材交替沉积的方式,分别在高速钢和Si基底上制备Ti-Al-Si-N多层梯度涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)和纳米压痕仪对Ti-Al-Si-N多层梯度涂层晶相组织、微观结构和力学性能进行了表征。结果Ti-Al-Si-N多层梯度涂层中主要相为(Ti,Al)N晶相,择优取向(200)。Ti-Al-Si-N多层梯度涂层由TiN、TiAlN、TiAlSiN三种层区组成,层区厚度分别为41.7、1458.3、1450 nm。通过HRTEM实验观察TiN、TiAlN层区结构发现,在TiAlN层区内部形成了TiAlN/TiN周期变化的结构,证实为TiAlN/TiN纳米多层涂层微结构特征,其中TiN调制层为1 nm左右,TiAlN调制层约为0.5 nm,调制周期约为1.5 nm。此外,发现TiAlN层区存在nc-TiAlN/α-Si3N4结构,TiAlN晶粒大约为6 nm左右,非晶层Si3N4大约为2~3 nm。制备的Ti-Al-Si-N多层梯度涂层硬度为27.7 GPa,弹性模量为338.0 GPa。结论构建了Ti-Al-Si-N多层梯度涂层示意图,对于涂层的强化机制,可以用模量差理论、交变应力场理论及nc-TiN/α-Si3N4模型进行说明,其主要强化机制为nc-TiN/α-Si3N4模型理论。

TiAlSiN多层梯度涂层力学及摩擦磨损性能试验研究

利用物理气相沉积(PVD)技术,基于阴极电弧技术在Si片、高速钢试片上制备了TiAlSiN多层梯度涂层。利用洛氏硬度计、X射线衍射仪、透射电子显微镜、纳米压痕仪对涂层的表面形貌、物相结构和力学性能进行表征。通过超精密三维表面轮廓光学测量仪、HSR-2M摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦磨损性能。试验结果表明TiAlSiN多层梯度涂层结构致密,各层间界面清晰,主要由柱状的面心立方结构的(Ti,Al)N相组成。涂层与基体的结合力达到工业等级HF1,具有良好的膜基结合力,其硬度为27.7 GPa,弹性模量为338.0 GPa,具有较高的硬度和弹性模量。TiAlSiN多层梯度涂层的摩擦系数为0.54,磨损率为7.06×10~3μm^3/(N·m),主要磨损机制为磨粒磨损和轻微粘着磨损。

多层梯度结构对TiAlSiN涂层摩擦磨损性能的影响

为提高304不锈钢耐磨损性能,采用磁过滤阴极弧等离子体沉积的方法制备TiAlSiN多层梯度涂层,研究多层梯度结构对涂层摩擦磨损性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的表面形貌、物相结构以及力学性能进行表征,并通过MST-3001摩擦磨损试验仪测试不同结构涂层的摩擦磨损性能。结果表明:与TiAlSiN单层涂层相比,TiAlSiN多层梯度涂层具有更高的结合力和韧性;两种涂层的摩擦因数和磨损率都远小于304不锈钢,其中TiAlSiN多层梯度涂层具有比单层涂层更低的磨损率,磨损率由2.6×104μm3/(N·m)降至8.5×103μm3/(N·m),降低了67.8%,TiAlSiN多层梯度涂层磨痕表面光滑致密,主要磨损机制为轻微粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损的协同作用。

等离子喷涂耐磨涂层及热障涂层的新进展

综述了等离子喷涂技术在耐磨损涂层及热障涂层方面的研究进展 ,分析了等离子喷涂技术与新设备 ,新工艺融合后两种涂层所展现出的更为优越的性能 ;