锆合金表面镀Cr/TiAlN涂层的抗高温水蒸气氧化性能研究

利用多弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备了Cr+TiAlN复合涂层。采用多种分析手段研究了涂层在1200℃高温水蒸气环境下的抗氧化性能。利用X射线衍射分析涂层的物相成分;利用扫描电镜观察涂层表面的微观形貌;利用能谱对涂层元素种类与含量进行分析;采用自动划痕仪对涂层的力学性能进行检测。结果表明:多弧离子镀膜层表面均匀平整、致密度大,但存在一定数量的微孔洞及大颗粒。镀有Cr/TiAlN涂层试样的氧化速率远低于原始锆合金的氧化速率,抗高温水蒸气氧化性能优于原始Zr-4合金,且单位面积的氧化增重量仅为原始Zr-4合金的36%。划痕实验结果表明,膜基结合力为26 N,膜基结合性能良好。

硬质合金表面预处理状态对TiAlCrSiN/TiAlN涂层结构与机械性能的影响

采用电弧离子镀工艺在不同预处理后的硬质合金表面制备TiAlCrSiN/TiAlN涂层,采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、压痕法等研究硬质合金表面形态和涂层结构、力学性能和结合强度。结果表明:抛光处理后的硬质合金表面十分平整,表面粗糙度低至7.7 nm。酸洗处理使硬质合金表层Co相溶解而暴露出更多的硬质相,表面粗糙度增大,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在酸洗处理的硬质合金上生长速率增大,晶粒细小,硬度和弹性模量高,但硬模比较低。喷砂处理使Co相塑性变形而包络更多的硬质相,表面粗糙度大幅增加,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在喷砂处理的硬质合金上生长速率稍降低,晶粒粗大,硬度和弹性模量小,但硬模比较高。酸洗+喷砂复合处理的硬质合金表面TiAlCrSiN/TiAlN涂层的硬度、弹性模量、硬模比介于两种单独处理方式的之间。

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。

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。

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。

元素掺杂对TiAlN涂层刀具性能影响的研究进展

随着我国制造业的快速发展与难加工材料的接连涌现,迫切需要切削技术不断更新迭代,而切削刀具的发展成为提升加工效率的关键因素。近年来,涂层技术成为提高刀具切削性能的有效途径,特别是TiAlN涂层凭借良好的耐磨性与稳定性,被广泛应用于切削刀具。然而,传统TiAlN涂层刀具难以承担热力化多重耦合的苛刻工况。如何通过元素掺杂,形成固溶强化与细晶强化,便捷、高效地提升TiAlN涂层刀具的切削性能,成为该领域的研究热点。针对此问题,本文概述了TiAlN涂层的作用机理与制备方法,分析了不同工艺所获涂层的微观形貌与物相结构,阐述了高温工况TiAlN涂层由于氧化与相变导致的使用局限性,着重综述了掺杂Si,C,Cr,B与V元素对TiAlN涂层微观结构、硬度、耐磨性、抗氧化性与刀具使用寿命的影响,最后对TiAlN涂层刀具的未来发展进行了总结。

溅射功率对直流磁控溅射TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响

在室温下采用直流磁控溅射技术在304L不锈钢表面制备TiAlN涂层,研究了溅射功率(80,100,120,140,160 W)对TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层由面心立方结构的TiAlN相以及少量TiN和AlN相组成。随着溅射功率的增加,TiAlN涂层变厚,表面晶粒更加致密,但溅射功率160 W下制备的涂层表面大颗粒较多,晶粒尺寸先变小后变大,结合力先增大后减小,平均摩擦因数和比磨损率均整体呈先减小后增大的趋势;溅射功率140 W下制备的涂层具有最小的晶粒尺寸、最强的结合力、最小的平均摩擦因数和比磨损率,磨痕较平整且仅有少量磨屑,磨损机制为轻微的黏着磨损。

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。

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。

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。

磁控溅射镀膜技术在(Cr,Ti,Al)N涂层上的应用

过渡金属氮化物硬质涂层在切削刀具、精密模具和机械零部件等领域有着广泛的应用。随着切削技术的进步和难加工材料的增多,硬质涂层已由传统的二元涂层向着三元、四元涂层不断发展。(Cr,Ti,Al)N四元涂层因其优异的综合性能而备受研究人员的关注。本文从磁控溅射镀膜的基本原理和技术特点出发,介绍了制备(Cr,Ti,Al)N涂层常见的磁控溅射镀膜技术,分析了采用单质靶与合金靶沉积镀膜的效果及其各自的优缺点,研究了磁控溅射工艺参数对(Cr,Ti,Al)N涂层机械性能的影响,最后讨论了(Cr,Ti,Al)N梯度涂层的作用及其制备方法。本文可为设计(Cr,Ti,Al)N涂层制备工艺、改善(Cr,Ti,Al)N涂层性能提供理论参考与指导。

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。

TiAlN/Cr、TiAlN/CrN和TiAlN/CrAlN多层涂层的热盐腐蚀行为

钛合金的热盐腐蚀问题已引起人们的广泛关注,金属氮化物防护涂层是延长钛合金服役寿命的有效途径.采用多弧离子镀技术在钛合金表面沉积了TiAlN/Cr涂层、TiAlN/CrN涂层、TiAlN/CrAlN-5涂层和TiAlN/CrAlN-10涂层.通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、划痕测试仪、3D激光显微镜等测试手段对比研究了4种多层涂层的热盐腐蚀行为,分析了涂层热盐腐蚀前后的微观形貌和物相成分.结果表明:Al元素的添加和调制周期的优化可以提高涂层的致密性,改善涂层表面质量.其中TiAlN/CrAlN-10多层涂层由于界面密度高,表现出优异的耐热盐腐蚀性能.

40Cr钢表面离子镀TiAlN涂层的膜基结合力研究

采用多弧离子镀的方法在齿轮材料40Cr钢基体表面上制备TiAlN涂层,分析了工艺参数对涂层与基体结合力的影响。结果表明,随着基体负偏压的增加,膜基结合力增强,当超过某一最大值时膜基结合力会逐渐下降。随着N_2分压的增加,膜基结合力逐渐增强。

TiAlN,CrAlN和TiCrN涂层的制备及摩擦学性能研究

运用直流和射频磁控共溅射的方法制备TiAlN、CrAlN和TiCrN3种涂层,研究涂层的力学性能及在空气和水基切削液中的摩擦学性能,揭示其磨损机制。研究发现,Al元素主要以固溶体形式存在于TiAlN和CrAlN涂层内;3种涂层的显微硬度分别为HV719.3、HV1022.5和HV973.5。在空气中TiAlN、CrAlN和TiCrN涂层与SUS440C钢球对摩的稳态摩擦因数分别为1.25、1.14和1.31,TiAlN和CrAlN涂层的磨损机制主要是氧化磨损,而CrTiN涂层以磨粒磨损为主;而在水基切削液中3种涂层与SUS440C钢球对摩的摩擦因数明显降低,其对应的稳态摩擦因数分别为0.44、0.47和0.77,但磨痕上的划痕加剧,其磨损机制以磨粒磨损为主。

TiAlN涂层硬质合金刀具铣削35CrMoSiV钢的切削性能研究

采用有和无PVD TiAlN涂层的细晶硬质合金铣刀对35CrMoSiV合金钢进行了干式端面铣削试验。分别测量了有、无涂层情况下铣刀后刀面径向磨损量和加工槽的表面粗糙度,通过光学显微镜观察了切屑,利用扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDX)分析了后刀面的磨损形态。研究结果表明:TiAlN涂层明显提高了硬质合金刀具的切削性能;硬质合金刀具后刀面磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,而涂层损伤是粘着磨损、剥层和氧化磨损共同作用的结果;在正常工作区内,提高铣削的转速和进给量,有利于减轻刀具的粘着,提高切削效率和质量。

非平衡闭合场磁控溅射CrTiAlN/MoST复合涂层的性能研究

采用非平衡闭合场磁控溅射方法在Cr12MoV冷作模具钢表面制备CrTiAlN单一涂层和CrTiAlN/MoST复合涂层,通过AFM、XRD、显微硬度、划痕和磨损试验综合分析涂层相结构和的表面性能。实验结果表明,CrTiAlN/MoST复合涂层比CrTiAlN单一涂层更光滑、致密,(Cr,Ti,Al)N在(111)晶面呈强烈的衍射峰,无明显的MoS_2衍射峰.Cr12MoV经PVD处理后,表面显微硬度和耐磨性得到了明显的提高,尤其是复合涂层,由于CrTiAlN硬涂层抗磨和MoST软涂层减摩的综合作用表现出比CrTiAlN涂层更低的磨损率,主要的磨损机制为逐层剥落的疲劳磨损。