不同基体CrN/CrCN多层涂层海水环境摩擦学性能研究

为研究不同基体材料对CrN/CrCN多层涂层在海水环境下摩擦学性能的影响,采用多弧离子镀技术在H65铜合金、TC4钛合金和316L不锈钢基体上沉积CrN和CrN/CrCN多层复合涂层,通过XRD、SEM等技术对涂层的结构进行表征,通过结合力、硬度测试和摩擦磨损试验分析涂层在大气环境和海水环境下的力学性能和摩擦学性能。结果表明:CrN/CrCN多层涂层的内应力相对于CrN明显减小,且硬度相对CrN涂层较高;TC4钛合金为基体的涂层结合力较好且涂层硬度较高;在海水环境下涂层的摩擦因数相对于大气环境都有较大幅度下降,其中,以TC4钛合金和316L不锈钢为基体的涂层摩擦因数较小;以H65铜合金为基体的2种涂层在海水中的磨损率高于大气中,而以TC4合金、316L不锈钢为基体的CrN/CrCN多层涂层在海水环境下的磨损率低于大气环境;TC4钛合金为基体的CrN/CrCN多层涂层在海水环境下具有最低的磨损率,表明TC4钛合金更适合作为海水环境下CrN/CrCN多层涂层耐磨的基体材料。

CrN/TiAlN多层涂层的微观结构和摩擦磨损性能

特种装备车辆往往在高速、高冲击等复杂环境下运行,底盘选装密封件表面容易被磨损造成密封失效,在密封工作面制备硬质涂层是提高服役寿命、延长维修周期的重要方法。采用物理气相沉积法在45#钢表面制备单层CrN涂层和不同过渡层厚度的多层CrN/TiAlN涂层,用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、表面轮廓仪、纳米压痕仪和往复式摩擦磨损试验机,研究涂层的微观结构、机械性能和摩擦磨损性能。结果表明单层CrN涂层厚度为0.87μm,其硬度和模量最小为19.49 GPa和160.53 GPa。CrN/TiAlN多层涂层的硬度和模量明显提高,且随过渡层厚度增加而增大,4CrN/TiAlN涂层的硬度和模量可达到39.86 GPa和386.72 GPa。在空气环境下的摩擦磨损试验中,单层CrN涂层被快速破坏;CrN/TiAlN多层涂层的平均摩擦因数随着过渡层厚度的增加先增大后减小,最大磨损深度和磨痕截面积不断下降。4CrN/TiAlN涂层具有最优摩擦磨损性能,其平均摩擦因数为0.792 5,磨痕截面积为315.09μm^(2),磨损机理为磨粒磨损和少量粘着磨损。提高过渡层厚度能够降低基体的塑性变形,降低涂层与基体的物理性能差异,减少涂层开裂并提高涂层摩擦磨损性能。通过调控过渡层厚度获得性能优异的CrN/TiAlN多层涂层,研究成果可应用于车辆旋转密封件上,显著提高密封工作面耐磨损性能。

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。

Inconel 718合金表面纳米多层CrAlN/CrN涂层的制备及高温摩擦学性能研究

为提高Inconel 718合金的表面硬度和高温摩擦磨损性能,采用多弧离子镀技术在其表面制备CrAlN/CrN涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪和划痕仪等对涂层的微观结构、力学性能进行分析表征。使用UMT摩擦磨损试验机测试涂层在室温、350℃和650℃下的摩擦性能,并对磨痕的形貌特征、元素分布和物相进行分析,分析涂层在不同温度下的摩擦磨损机制。结果表明:纳米多层CrAlN/CrN涂层微观结构致密,主要由fcc-CrN相组成,择优取向为(200)晶面;CrAlN/CrN涂层在Inconel 718合金表面具有良好的力学性能,其硬度和结合力分别为(29.3±1.2)GPa和70.4 N;涂层在室温和350℃下具有优异的耐磨性,磨损率分别低至1.5×10^(-6)mm^(3)/(N·m)和1.7×10^(-6)mm^(3)/(N·m),主导的磨损机制分别为磨粒磨损和疲劳磨损;650℃时涂层达到最低摩擦系数(0.33),但磨损率有所升高,主要表现为磨粒磨损。

层厚比对磁控溅射Cr/CrN多层涂层组织和性能的影响

在超高真空磁控溅射仪上,制备了一系列具有相同调制周期不同层厚比的Cr/CrN涂层。用X射线衍射仪分析了涂层的相组成,通过扫描电镜观察了涂层形貌,采用显微硬度计测试了涂层硬度,在划痕仪上确定涂层和基体间的结合力,并利用磨损仪测量涂层的摩擦磨损性能。结果表明:调制周期为400nm时,当层厚比由2.0减小到0.2,Cr/CrN多层涂层始终由Cr和CrN两相组成,涂层择优取向为CrN(200),且涂层变得愈加致密,硬度从1550HV增大到2300HV,磨损率从2.4×10-8 mm3·N-1·m-1减小为0.6×10-8 mm3·N-1·m-1,涂层和基体结合性能优良。

多弧离子镀制备的CrCN涂层组织及摩擦磨损性能

采用多弧离子镀技术在硅片和316L不锈钢上制备了CrN和CrCN涂层,利用扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)对其表面形貌及成分进行表征,采用纳米压痕仪、划痕测试仪及摩擦磨损试验机测试涂层力学及摩擦学性能,观察试样磨损形貌,并分析其磨损机理。结果表明:较之于CrN涂层,所制备的CrCN涂层具有更均匀、致密的结构,与基体结合良好;涂层主要成分为Cr、C和N,其中C元素主要以sp2、sp3和C—Cr键的形式存在;CrCN涂层中由于强化相Cr7C3的产生和杂化C的形成等多种强化作用,显著提高了其硬度和耐摩擦磨损性能。

多界面CrN/CrAlN涂层在海水环境中的腐蚀磨损性能研究

目的通过多界面结构CrN/CrAlN涂层来提高316不锈钢在海水中的耐腐蚀磨损性能。方法采用多弧离子镀技术在316不锈钢基底表面制备CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等设备表征涂层的微观结构和相组成;借助纳米压痕仪及划痕仪分别测试涂层的硬度和结合强度;通过往复式摩擦磨损试验机及电化学工作站,实时记录涂层在人工海水环境下摩擦系数和电化学信号的连续变化,并采用扫描电子显微镜对磨痕形貌进行分析,评价CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层在人工海水环境中的腐蚀磨损特性。结果CrN/CrAlN多层涂层结构致密,层间界面清晰,厚度大约在4.12μm,力学性能优异,其硬度高达37.65 GPa。在海水环境中,摩擦系数随外加电位增加而降低,且当外加电位为0.2 V时,最低摩擦系数在0.29左右。而多层涂层损失量变化规律与之相反,当外加电位为–0.6 V时,其具有最低损失量,大约为0.00086 mm^(3)。相比CrAlN单层涂层,CrN/CrAlN多层涂层的腐蚀电流密度降低,损失量显著减小。结论CrN/CrAlN多层涂层具有致密的多界面结构,在海水环境中的耐腐蚀磨损性能更为优异。主要失效机制为磨粒磨损、塑性变形和腐蚀磨损。

CrN过渡层对CrWN涂层结构和力学性能的影响

为改善CrWN涂层力学性能,采用多弧离子镀技术,在硬质合金和不锈钢基底上沉积不同厚度CrN过渡层的CrWN涂层。分别采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、显微硬度计和摩擦磨损试验机对涂层的物相结构、表面及截面形貌、显微硬度、结合强度进行分析。结果表明:CrWN涂层主要呈CrN面心立方多晶结构,并含有W置换CrN晶格中的Cr后形成的固溶体。随着CrN过渡层厚度的增加,涂层表面大颗粒数量及尺寸逐渐增多,涂层内部缺陷增多。该工艺生产的CrWN涂层的显微硬度可达2000 HV以上,保证了涂层的硬质特性;膜基结合强度提升最为明显,带有过渡层的各参数下沉积的涂层样品均超过100 N。

TC4钛合金表面的多层素CrN涂层

采用热丝增强等离子体磁控溅射技术,通过改变基体偏压,在TC4钛合金表面沉积了多层素CrN涂层。利用SEM、EDS和XRD分别分析了多层素CrN涂层的形貌、成分及相结构,采用划痕仪、显微硬度仪、纳米压痕仪等对多层素CrN涂层与TC4钛合金的结合力和力学性能进行分析讨论。结果表明,通过调控磁控溅射基体偏压,沉积获得的多层素CrN涂层表面平整致密,截面多层结构明显可见,涂层厚度约5μm。多层素CrN涂层沿(200)、(111)面择优生长;涂层与基体结合力达69 N,其厚度450 nm处的杨氏模量和纳米硬度分别为320 GPa和25 GPa;涂层表面磨痕宽度仅为TC4钛合金的8.5%。多层素CrN涂层与TC4钛合金结合力强,适用于提高钛合金表面的硬度及耐磨损性能。

TiAlN/CrN多层膜的组织结构及耐蚀性机理

目的研究TiAlN/CrN多层膜及TiAlN、CrN单一膜层的微观组织和电化学性能区别,分析不同结构薄膜材料的耐腐蚀性影响因素。基于电化学参数、组织结构和腐蚀形貌特征,为开发新型腐蚀性薄膜提供理论依据。方法采用多弧离子镀方法,在316不锈钢基底上先沉积150 nm Cr薄膜作为过渡层,然后交替沉积CrN薄膜和TiAlN薄膜,制备单层厚度为10 nm的TiAlN/CrN多层膜。作为对比,制备单一TiAlN、CrN薄膜。通过SEM、XRD表征薄膜断面形貌、组织结构,并分析耐蚀机理,结合极化曲线和阻抗谱对三种涂层进行电化学性能分析,最后对涂层进行浸泡腐蚀试验。结果TiAlN/CrN纳米多层膜为面心立方结构,呈现共格外延生长,且呈(200)择优取向。纳米多层膜的动电位极化曲线测量结果与不锈钢基体和单层薄膜相比,其腐蚀电位正移为−0.36 V,腐蚀电流密度降低为0.501μA/cm^2,极化电阻为120 kΩ·cm^2。阻抗谱试验结果表明,相比较于单层膜和基体,TiAlN/CrN多层膜的CPE值最低,为29.83×10^−6Ω^−1·cm^−2·sn,n值为0.922,电阻为1.50×10^6Ω·cm^2。腐蚀形貌分析可得出,多层薄膜腐蚀后表面形貌与沉积态涂层形貌最为接近,认为其具有较高的耐腐蚀性。结论纳米层状结构改变了单一薄膜的原始生长模式,抑制了粗大柱状晶的生长,减小了薄膜的固有缺陷、晶粒尺寸,对薄膜的耐蚀性有正面积极的作用。

Cr元素引入对TiAlN涂层性能影响的研究现状

总结了含Cr过渡层(CrN/Cr层)以及TiAlCrN涂层中Cr元素引入对TiAlN涂层相关性能的影响规律,为制备性能优异的(Ti,Al,Cr)N涂层提供参考。最后分析和展望了TiAlN基涂层的发展方向。

具有“层中层”结构的Zr/[Al(Si)N/CrN]涂层制备及其在海水环境中腐蚀磨损特性

采用多弧离子镀技术制备了不同调制比的交替多元多层Zr/CrAlSiN复合涂层,通过交替沉积与间歇性接近不同靶材相结合的方法获得了Zr/[Al(Si)N/CrN]"层中层"结构,并对复合涂层的力学性能、无腐蚀时的摩擦磨损性能、无摩擦磨损时的腐蚀性能及海水环境中的腐蚀磨损性能进行了研究。结果表明:该结构设计对涂层生长缺陷具有明显的抑制和修复作用;随着CrAlSiN层厚度比例增大,调制比为1∶6时Zr/[Al(Si)N/CrN]涂层的综合力学性能最佳;由于CrAlSiN层具有多层Al(Si)N/CrN结构,增加CrAlSiN层厚度比例增加了复合涂层横向界面,从而提升了涂层腐蚀性环境中的阻隔作用,因此CrAlSiN层厚度比例的增加既可以提升无摩擦磨损时涂层的耐腐蚀性能,又可提升涂层摩擦开动后的耐腐蚀性能,并进一步降低涂层腐蚀和磨损的相互促进作用;当调制比为1∶6和1∶8时,Zr/[Al(Si)N/CrN]涂层在海水环境中展现出了较好的抗腐蚀磨损性能。