Cr/CrAlSiN涂层海水环境摩擦学性能及耐蚀研究

采用多弧离子镀技术,在316不锈钢基底表面制备Cr/CrAlSiN涂层,通过SEM、XRD表征涂层成分,利用多功能摩擦试验机对涂层在海水环境下的摩擦学性能测试。结果表明:相对于316L基底,在摩擦实验中,由于海水的润滑作用,涂层表现了良好的摩擦性能。电化学阻抗谱测试中Cr/Cr Al Si N涂层有效的保护了基底。

TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具干切削TC4钛合金切削性能

钛合金因其化学活性和切削高温引起刀具磨损严重。刀具表面施加涂层是有效地延长刀具服役时间的方法。借助PVD阴极电弧蒸发技术,使用TiAlSi靶和CrAlSi靶交替叠加制成TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具,并使用这种刀具分别切削常规钛合金和3D打印钛合金。所制成的TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层表现了较高的硬度;切削钛合金时,刀具的磨损形式表现为涂层剥离,前刀面月牙洼,后刀面均匀磨损和刀尖崩刃。引起刀具磨损的主因是粘结,其次是高温氧化。三个切削用量中,切削速度对切削力和切削温度的影响要远大于切削深度和进给量对二者的影响。与常规TC4相比,3D打印TC4因伸长率和硬度下降,弹性模量提高促使切削温度和切削力均低于常规TC4,刀具寿命相应的延长。

Si元素掺杂CrAlSiN涂层海水环境下的磨蚀研究

采用多弧离子镀技术制备不同Si含量的Cr/CrAlSiN涂层,通过SEM、XRD表征了涂层的微观结构和成分,采用Rect摩擦磨损试验机在开路电位下进行摩擦实验。结果表明:涂层的结构主要有CrN相、AlN相以及非晶态Si_(3)N_(4)包裹CrN、AlN相,{111}择优取向最为明显;在海水环境下,开路电位时,Cr/CrAlSiN涂层随着硅含量的增加,摩擦系数先减小后增加。Si原子百分比为5.5%时,平均摩擦系数最小,为0.145;自腐蚀电位为-0.197 V、自腐蚀电流密度0.742μA/cm^(2),有较好的耐腐蚀性能。

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。

CrAlSiN涂层斜刃剪切刀具的摩擦及剪切性能研究

为了研究CrAlSiN涂层的摩擦性能及涂层刀具对电工钢板材剪切性能的影响,采用电弧离子镀工艺在硬质合金基体和斜刃剪切刀具上沉积CrAlSiN涂层。采用球-盘式摩擦磨损试验仪对硬质合金基体和涂层的干式摩擦学行为进行研究。采用剪切加工试验对比研究了未涂层和涂层刀具对电工钢板材剪切性能的影响,并考察了不同剪切次数时的剪切断面质量、剪切力和刀具的刃口半径变化。研究结果表明:有CrAlSiN涂层的刀具摩擦系数要比未涂层前小11.8%;采用CrAlSiN涂层刀具剪切的电工钢板材的断面质量明显高于未涂层刀具,表现为剪切带增大25.9%、毛刺高度降低29.6%。在正常剪切阶段,涂层刀具的剪切力比未涂层刀具要小9.6%。刀具磨损及刃口半径变化小于未涂层刀具,刀具的剪切性能明显优于未涂层刀具。

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。

CrN/CrAlSiN涂层海水环境下的摩擦学性能

为提高海洋装备摩擦零部件的摩擦学性能,采用多弧离子镀技术在316L不锈钢上制备了CrN/CrAlSiN涂层。通过XRD、XPS表征涂层的物相及成分,SEM和TEM表征涂层的形貌和微观结构,并用纳米压痕仪测试其硬度,采用摩擦磨损试验机对涂层在大气和海水环境中的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:CrN/CrAlSiN涂层的微观结构主要有CrN相、AlN相以及非晶态Si_3N_4包裹CrN、AlN相,(111)择优取向最为明显;基于微观结构与CrN过渡层的设计,CrAlSiN涂层硬度高达35.5 GPa;较之于316L基底,涂层致密的结构使其在海水环境下表现出更好的耐腐蚀性能;在大气和海水环境下,CrN/CrAlSiN涂层的摩擦因数及磨损率均明显降低,在海水环境下达到最优。

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。

CrAlSiN纳米复合涂层的最新研究进展

随着工业对切削精度和效率的要求不断提高以及钛合金等难加工材料的出现,具有优异综合性能的新型硬质涂层材料的开发与改性成为研究热点。CrAlSiN涂层因其具有纳米复合结构而表现出超高的硬度,同时具有优异的抗高温氧化和耐磨性能,获得了研究者的广泛关注。本文归纳了CrAlSiN涂层的微观结构、力学性能、耐磨性能、高温抗氧化性、高温热稳定性、耐蚀性和切削性能的特点及相关机制;阐述了涂层中Al和Si含量对其微观结构和性能的影响规律及作用机理;综述了元素掺杂(掺Ti、V、O、Mo等)与微观结构设计(添加过渡层、多层和梯度结构)对CrAlSiN涂层微观结构与性能的影响和作用机制;最后对CrAlSiN涂层的发展与研究方向进行了展望。

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H13钢显微硬度和耐磨性的影响

研究了多弧离子镀CrAlSiN涂层对淬火、渗氮处理H13模具钢的显微硬度及摩擦性能。结果表明:较之于镀膜处理后的和未镀膜的共6种H13钢,淬火处理后H13钢显微硬度为530 HV;等离子渗氮处理H13钢的显微硬度为1095 HV;镀膜后的H13钢硬度达到2697 HV;镀膜后的淬火处理H13钢硬度为2840 HV,镀膜后的渗氮处理H13钢显微硬度是4010 HV。总体来看,镀膜后其磨损量明显降低,表面质量明显改善,耐磨性得到极大提升。

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。

磁控溅射镀CrAlSiN涂层的抗高温水蒸气氧化性能

目的提高锆合金包壳管的事故容错能力。方法采用磁控溅射法,在锆基底上沉积CrAlSi和CrAlSiN两种涂层,表征了涂层的结构形貌、机械性能和抗高温水蒸气氧化行为等。结果CrAlSi涂层呈致密的柱状晶结构。CrAlSiN涂层结构致密,晶粒尺寸小,接近非晶质地。CrAlSiN涂层与Zr基底之间的结合力(~46 N)高于CrAlSi涂层与Zr基底之间的结合力(~27 N),2种涂层的硬度大约为Zr基底硬度的3~4倍,表现出良好的机械性能。同时,这2种涂层均较大幅度提高Zr基底的抗高温水蒸气氧化能力。经1000℃水蒸气氧化15 min后,4.3μm厚的CrAlSi涂层使Zr(O)层的厚度减少了~67%,而4.6μm厚的CrAlSiN涂层则抑制了Zr(O)层的形成。14μm厚的CrAlSiN涂层使Zr基底在1200℃高温水蒸气中保持未氧化状态大于60 min。结论磁控溅射制备的CrAlSi涂层和CrAlSiN涂层均能有效地抑制Zr合金的高温水蒸气氧化,且后者的防护效果更佳。

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。

Si元素掺杂CrAlSiN涂层的性能研究进展

多元涂层由于其优异的物理、化学性能被广泛的应用于汽车零部件、航空航天等领域。其中四元涂层CrAlSiN具有比传统CrAlN更高的硬度、优异的耐高温氧化性而受到人们的广泛关注。介绍了目前CrAlSIN涂层的主流制备方法,并概括了Si元素掺杂对CrAlSiN涂层组织结构、力学性能的影响,以及产生上述影响的作用机理。此外,对比分析了单层CrAlSiN与多层复合CrAlSiN涂层的性能特点,及其对刀具切削性能的影响。对CrAlSIN涂层的多层化、复合化进行了展望,提出多元素掺杂涂层研究的必要性,以及持续开发新型涂层制备工艺的迫切性。发挥多层复合层间结构协同作用是未来涂层研究的主要方向。