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。

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。

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。

磁控溅射CrAlSiN膜层的高温性能研究

为了探究高速钢在高速切削时的高温氧化行为,采用磁控溅射技术在高速钢表面沉积CrAlSiN硬质膜并进行高温氧化试验,高温氧化温度分别为700,800,900,1 000℃,保温时间为1 h。分别利用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、纳米压痕仪对膜层的微观结构、纳米硬度及模量、磨损率和抗氧化性进行表征及分析。结果表明:CrAlSiN膜层为fcc-CrN结构,纳米硬度、模量和磨损率分别为24.87 GPa、300.51 GPa和0.024 nm/mN。氧化过程中高温氧化温度为700℃时膜层表面产生微裂纹,形成Cr2O3和Al2O3混合氧化层;800℃时出现微量细小的白色颗粒状氧化物;900℃时,微裂纹增长,氧化物数量增多,新增Cr2O3衍射峰;1 000℃时元素扩散剧烈,但未检测到有基体元素扩散至膜层表面,表明膜层仍具有较好的抗氧化性。随着氧化温度的升高,薄膜表面产生裂纹和氧化物,使膜层的纳米硬度、模量降低,磨损率升高。

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。

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。

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。

Si含量对CrAlSiN薄膜抗氧化性能的影响

采用磁控溅射方法在高速钢上制备CrAlSiN薄膜,通过控制Si靶的功率来改变薄膜中Si元素含量;然后将样品在800℃和1000℃下,分别进行高温热处理1h。当Si含量为11.2at%时,CrAlSiN薄膜硬度值较高,随着Si靶功率和Si含量升高,薄膜硬度开始下降,高比例的非晶氮化硅相是薄膜硬度降低的原因。CrAlSiN薄膜在800℃大气热处理下,薄膜保持面心立方结构,当热处理温度升到1000℃时,出现了Cr、Al、Fe的氧化峰,表明薄膜面心立方结构发生改变,氧化现象加重,抗氧化效果显著降低。

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。

磁控溅射CrAlSiN硬质膜层的高温抗氧化性能

采用磁控溅射方法在硬质合金表面制备CrAlSiN硬质薄膜,基于薄膜硬度、模量和相结构等关键本征特性优化制备工艺参数并对薄膜进行大气热处理;通过扫描电镜及能谱仪、X射线衍射仪、纳米压痕仪、激光共聚焦显微镜和蔡司金相显微镜等研究薄膜的抗氧化性能及热稳定性能。结果表明,当Si含量为8.06at.%时,薄膜的平均硬度和弹性模量值分别达到26.62GPa和446.78GPa.大气热处理700℃时薄膜表面出现Cr的氧化物相并伴生裂纹;800℃时Cr2O3衍射峰减弱,裂纹密集且发现基体氧化物;900℃时出现了Cr3O4和Al2O3相,薄膜显著开裂并加速氧化;1000℃时氧化物相结构趋于单一化,薄膜彻底失效。

CrAlSiN涂层与不同材料配副时的摩擦学特性

目的研究CrAlSiN涂层分别与304不锈钢、TC4钛合金、Al_2O_3陶瓷和GCr15钢四种不同材料配副时的摩擦学特性。方法采用阴极电弧离子镀技术在M35高速钢上制备了CrAlSiN涂层,采用扫描电镜(SEM)、显微硬度计、划痕仪、球-盘式摩擦磨损试验仪和3D轮廓仪分别测试了涂层的结构和性能。结果 CrAlSiN涂层与304不锈钢、TC4钛合金和GCr15钢配副时的磨损形式为粘着磨损和磨粒磨损,其中与亲和性高的304不锈钢、TC4钛合金粘着磨损严重。CrAlSiN涂层与不锈钢对磨时,摩擦系数最高,达到0.71;与GCr15钢对磨时,摩擦系数最低,但摩擦系数波动大;与钛合金对磨时,摩擦系数介于两者之间。CrAlSiN涂层与亲和性较差的Al_2O_3陶瓷之间的磨损形式为磨粒磨损,随着磨损的进行,摩擦系数逐渐降低。结论 CrAlSiN涂层与亲和性较高的材料对磨时,磨损形式为粘着磨损和磨粒磨损,与亲和性较差的Al_2O_3对磨时为磨粒磨损。

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。

碳纤维树脂基复合材料表面CrAlSiN膜层的性能

以金属铬过渡层为变量,利用磁控溅射方法在碳纤维增强环氧树脂基复合材料表面分别沉积制备出CrAlSiN单层薄膜和含有铬过渡层的CrAlSiN薄膜,通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、纳米压痕仪等检测手段,表征了两种薄膜的表面形貌、成分组成、相结构、硬度及弹性模量等关键本征特性,并借助摩擦磨损试验机,研究了薄膜的摩擦磨损性能。结果表明:含有铬过渡层的CrAlSiN薄膜表面更平整致密,晶粒更细小,平均硬度和平均模量分别为3.723GPa和22.405GPa,对基材硬度和模量的提升率远高于CrAlSiN单层薄膜;在以氧化锆为摩擦副,试验力10N,往复频率3Hz,加载时间10min的摩擦磨损试验参数下,含有铬过渡层的CrAlSiN薄膜表现更加稳定,摩擦系数始终保持在0.1左右的较低水平,摩擦磨损性能更优异。

硅含量对H13模具钢CrAlSiN镀膜组织和性能的影响

在模具钢H13表面分别电镀4种硅含量为1.6%、4.4%、7.5%、10.8%的CrAlSiN薄膜。利用X光绕射分析仪、场发射扫描电镜、原子力显微镜、压痕实验仪与磨耗试验机对不同硅含量镀膜进行组织和性能的分析。通过在680℃A380铝合金溶液中浸泡,分析模具钢H13薄膜的抗热侵蚀性。结果表明:4种不同硅含量的CrAlSiN镀膜均为CrN单相柱状晶结构,晶粒尺寸随硅含量增加而减小;较低硅含量的CrAlSiN薄膜具有较低的硬度与较高的表面粗糙度,较高硅含量的CrAlSiN薄膜具有较高的硬度与弹性系数,表面粗糙度低并具有较低的摩擦系数;硅含量4.4%的CrAlSiN薄膜具有较佳的耐铝侵蚀能力。

CrAlSiN纳米复合涂层的制备与组织结构表征

采用Cr靶、Si靶和Al靶作为靶材,利用高功率脉冲磁控溅射系统在304不锈钢和单晶硅片(100)基片表面沉积CrAlSiN纳米复合涂层,并测定其显微组织结构和力学性能。结果表明,该纳米涂层的主要相结构为单一的fcc-(Cr,Al)相,结构致密,与基体的结合力可达25 N。

磁控溅射Cr/CrN/CrAlSiN复合涂层高温氧化行为研究

采用等离子增强磁控溅射(Plasma Enhanced Magnetron Sputtering,PEMS)技术通过改变Al靶功率成功制备了不同Al含量Cr/CrN/CrAlSiN多层纳米复合涂层。本实验先将试样在900℃下保温15 h后随炉冷却至室温,分别采用X射线衍射仪(XRD)、场发射电子扫描显微镜(FESEM)以及能量散射X射线能谱仪(EDS)分析了涂层氧化前后的晶体结构,表、截面形貌及化学元素种类、分布,另外使用原子力显微镜(AFM)表征了涂层的三维形貌与粗糙度。随着Al含量的增加,涂层晶粒尺寸、膜厚度及表面粗糙度均逐渐增大,晶粒沿着CrN(200)晶面呈现出择优取向。氧化后涂层表面形成了致密的Al2O3、SiO2及Cr2O3混合氧化物薄膜,可有效抑制氧的进一步扩散。多层涂层对基体具有良好的保护作用,且Al含量为15.18%时,纳米复合涂层的综合性能最佳。

CrAlSiN涂层的制备及其性能研究

利用电弧离子镀技术在硬质合金上涂覆CrAlSiN涂层,研究涂层的微观结构及纳米力学性能。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪分析了CrAlSiN涂层的微观结构,发现涂层由CrN过渡层和CrAlSiN涂层组成,涂层表面致密,截面呈致密结构,涂层物相主要以AlN、CrN的固溶相存在。通过纳米压痕和划痕实验研究了CrAlSiN涂层的力学性能,结果发现涂层的纳米硬度为31.445GPa,是涂层前的1.41倍,并且结合力为18.49 N。通过摩擦磨损实验发现涂层后的摩擦系数相对降低11%左右。

CrAlSiN涂层刀具切削钛合金的失效机理研究

针对钛合金等难加工材料切削刀具使用寿命短这一问题,采用脉冲直流磁控溅射和电弧离子复合镀技术在YG8硬质合金四刃立铣刀上沉积CrAlSiN涂层,研究涂层的组织结构和切削性能。研究结果表明:涂层主要为fcc-CrN相,同时含有少量的Cr2N和hcp-AlN相;切削TC4钛合金时,CrAlSiN涂层刀具切削寿命为未涂层刀具的2.5倍;未涂层刀具初期以磨粒磨损和粘着磨损为主,末期失效以粘着磨损为主,而CrAlSiN涂层刀具切削初期失效以磨粒磨损为主,后期刀具发生崩刃。在刀具表面涂覆CrAlSiN涂层可有效提高刀具的抗磨粒磨损和抗粘着磨损能力,提升刀具的使用寿命。

摩擦副类型对高速钢表面脉冲激光熔覆CrAlSiN薄膜摩擦性能的影响

以316不锈钢和TC11钛合金作为摩擦副类型,研究其对高速钢表面脉冲激光熔覆CrAlSiN薄膜表面摩擦磨损性能测试分析。研究结果表明:CrAlSiN薄膜表层部位存在许多针孔、凹坑和白色颗粒,并且颗粒尺寸都很大截面区域内生成了许多致密结构的组织,厚度2.5μm左右。薄膜硬度为2416 HV,和基体间的结合力等于53 N,达到良好综合性能。316不锈钢与CrAlSiN薄膜之间对磨后在薄膜表面生成了许多大尺寸磨痕,结合磨痕深度发生了轻微磨损;TC11钛合金与CrAlSiN薄膜进行对磨在薄膜上生成具有较大宽度磨痕,出现了轻度磨损。以不锈钢作为配副材料时,形成了较大的摩擦系数。以TC11钛合金作为配副材料时,发生了严重磨损的现象,跟316不锈钢对磨时形成了深度很大的磨痕。它们磨损机制相近,都是以磨粒磨损和粘着磨损为主。

Evaluation of Cathodic Arc Deposited Thick CrAlSiN Coatings by Erosion Test

CrAlSiN with thickness up to 16 μm was deposited on tungsten carbide via multi-deposition process by cathode arc deposition technique. Scratch and water-sand jet impingement erosion tests were carried out to evaluate the adhesion by determining the worn surface of the coatings. Results showed that the failure mode of the adhesion can be concluded that the weak bond of each CrAlSiN layer as compared to the strong bond between the coating and substrate. The average surface roughness of the coatings before the erosion test was about the same level. After the erosion test of 30 minutes, the eroded CrAlSiN coatings exhibited improved average surface roughness as compared to the original CrAlSiN coatings. Further increasing the erosion up to 60 minutes, the wear and minor peeling of the CrAlSiN coating between each layer was observed. A further research to improve the bond strength between each layer was needed.