航空发动机叶片TiN/Ti涂层基体冲蚀响应数值模拟

目的研究Ti N/Ti涂层结构变化对TC4钛合金基体冲击塑性应变的影响。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立球形Al2O3颗粒冲击覆有Ti N/Ti涂层TC4基体的二维轴对称模型,分析涂层硬质层厚度、硬质层层数对基体在冲击过程中的等效塑性应变的影响规律。结果对于无涂层的基体,其冲击塑性应变仅发生在冲击的加载阶段,冲击塑性应变分为加载及卸载两个阶段,加载阶段基体的塑性应变由球形颗粒的冲击产生,卸载阶段基体的塑性应变由涂层硬质层的回弹产生。对于单层结构涂层,当硬质层厚度低于12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变较大且呈振荡变化;当硬质层厚度超过12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变减小。对于多层结构涂层,当硬质层的厚度不变,增加涂层硬质层层数使得基体的塑性应变减小。结论有限元可以模拟分析Ti N/Ti涂层结构对TC4钛合金冲蚀性能影响规律,优化Ti N/Ti抗冲蚀涂层的结构设计参数,对抗冲蚀涂层的结构设计及其进一步研究具有指导意义。

硬质颗粒重复冲击TiN/Ti涂层损伤分析

航空发动机压气机叶片表面制备硬质涂层可显著提高其抗砂尘冲蚀性能,但砂粒高角度冲击对涂层损伤严重,易出现脆性裂纹。采用受控动能型重复冲击设备模拟硬质颗粒对涂层的高角度冲击,研究调制比、层数结构对TiN/Ti涂层冲击损伤的影响,并根据涂层损伤特征、冲击力学响应以及应力分布分析涂层的破坏机理。结果表明,TiN/Ti涂层出现剥落和圆周裂纹;硬质层内部、硬质层与结合层/过渡层界面存在高的应力梯度,而冲击坑点边缘硬质层上表层受到拉应力且由于材料堆起,在重复冲击下将导致涂层的疲劳剥落和圆周疲劳裂纹。调制比、层数显著影响涂层冲击响应过程,其中不同调制比的2层涂层,调制比为3:1的抗冲击性能较好;调制比为9:1的不同层数涂层,4层结构的抗冲击性能较好。

恒定动能Si_3N_4颗粒重复冲击不同厚度TiN/Ti涂层损伤特征对比分析

目的研究砂粒冲击航空发动机压气机叶片不同厚度的TiN/Ti硬质涂层损伤特征与机理。方法采用Si3N4硬质球恒定动能垂直重复冲击试验方法,研究厚度对TiN/Ti涂层冲击损伤的影响。通过对比涂层动力学响应、能量吸收率、冲击坑点轮廓、H3/E2值和损伤形貌,分析不同厚度涂层的冲击坑点损伤特征。利用ABAQUS软件仿真获得垂直冲击下涂层的应力分布。结果在调制比为9∶1的两层TiN/Ti涂层中,厚度为25μm的涂层坑点直径最大,达到382.49μm,比坑点直径最小的涂层(20μm)大了24.8%;厚度为25μm的涂层坑点最深,达到8.17μm,比坑点最浅的涂层(15μm)大了49.9%;厚度为5μm涂层的接触力峰值最大,为161.4 N,比接触力峰值最小的涂层(20μm)大了26.1%。随着涂层厚度的增加,涂层的抗冲击能力先增加后减小,厚度为20μm的涂层抗冲击能力最好。冲击坑点损伤特征有三种:中心区与过渡区的疲劳剥落与疲劳磨损,边缘区的疲劳圆周裂纹与疲劳剥落,涂层/基体变形,其中,以剥落为主。结论硬质层内的应力梯度和重复交变拉/压应力导致硬质层内产生疲劳圆周裂纹和疲劳剥落,硬质层与结合层界面处的高应力梯度导致产生层间疲劳剥落。

离子注入对TC4钛合金TiN/Ti涂层结合力和抗砂尘冲蚀性能的影响

目的通过离子注入提高TiN/Ti涂层的结合力和抗冲蚀性能。方法先采用金属蒸气真空弧(MEVVA)离子源在TC4基体上分别注入四种离子(Mo、Ti、Nb、Co),再用磁过滤真空阴极弧(FCVA)技术制备TiN/Ti涂层。采用非球面测量仪、AFM、XRD和纳米压痕仪,对四种离子注入的TC4基体表面粗糙度、表面形貌、物相结构、纳米硬度和弹性模量进行表征,采用划痕仪测量涂层的结合力,采用涂层冲蚀考核平台对不同试样进行砂尘冲蚀性能试验。结果经过Mo、Ti、Nb离子注入的TiN/Ti涂层的结合力和抗冲蚀性能都有提高,其中Mo离子注入的TiN/Ti涂层的结合力达71 N、耐冲蚀时间为80 min,与未离子注入涂层相比,分别增加31.5%和77.8%,而平均冲蚀率降低39.5%,仅为0.0078mg/g。Co离子注入的TiN/Ti涂层的结合力仅为40 N,平均冲蚀率增大了19.0%,达0.0433 mg/g,其抗砂尘冲蚀性能明显下降。结论离子注入涂层的抗砂尘冲蚀性能与结合力密切相关,随着结合力的增大,TiN/Ti涂层的平均冲蚀率减小,其耐冲蚀时间增加,选择合适的离子注入可提高TiN/Ti涂层的抗冲蚀性能。

激光冲击强化前处理对TiN/Ti涂层/基体疲劳性能的影响

采用磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面沉积抗冲蚀多层梯度TiN/Ti涂层,沉积前对基体进行激光冲击强化前处理。采用原子力显微镜、纳米压痕和划痕仪表征了试件的表面形貌、基本力学性能等,对试件的疲劳性能进行了考核,并分析了疲劳断口形貌。结果表明,LSP前处理在TC4表面形成了厚度约为300μm,具有高硬度和残余压应力的硬化层。TC4合金基体的平均疲劳强度为373.8 MPa,制备TiN/Ti涂层后试件的疲劳强度为363.7 MPa,较基体略有降低。增加LSP前处理后试件的疲劳强度为411.9 MPa,较TiN/Ti涂层试件提高13.3%,较无涂层试件提高10.2%。TiN/Ti涂层可以抑制表面上的裂纹萌生并减缓其扩展速率,但在拉伸过程中发生破碎而与基体发生剥离,裂纹抑制效果有限,且涂层的破裂促进了裂纹扩展。采用LSP前处理后,TC4表面形成的硬化层增加裂纹萌生难度,且提高的结合强度可降低裂纹扩展速率。

TiN/Ti涂层在波箔轴承中的摩擦磨损性能

采用真空离子镀的方法在304不锈钢基体上喷涂厚度为3μm的TiN/Ti薄层,利用硬度计、三维形貌仪、划痕试验仪对涂层基本力学性能进行分析,通过球盘试验机分析涂层试样的摩擦磨损性能,根据波箔轴承性能测试实验台的测试结果:研究TiN/Ti涂层对基体表面耐磨减摩性能的影响。研究结果表明:TiN涂层硬度可达HV1500,是基材硬度的5.5倍;TiN/Ti涂层平均摩擦因数为0.23,相对不锈钢304基材的平均摩擦因数0.71,降低了68%,磨损量也仅为基材的18.75%;GCr15与PTFE对磨的最大摩擦力矩可达2.4 N·mm,而TiN/Ti与PTFE对磨的最大摩擦力矩仅为1 N·mm,仅为GCr15的41.7%。TiN/Ti涂层表现出了优异的承载能力和耐磨减摩性能。

TC4钛合金与多层TiN/Ti涂层的砂尘冲蚀损伤试验

建了砂尘冲蚀试验系统,采用粒子成像测速方法获得了气体压力和砂尘速度之间的关系,并在砂尘质量浓度为28.91g/m3,速度为80m/s,冲蚀角度为30°的条件下,对TC4钛合金和多层TiN/Ti涂层进行了冲蚀试验.结果表明:TC4钛合金抗冲蚀损伤能力较差,平均质量损失率达0.7mg/min.多层TiN/Ti涂层可承受砂尘冲蚀200min以上,且TiN/Ti调制比为1∶3涂层的抗冲蚀能力优于调制比为1∶1的涂层.砂尘粒子垂直冲击速度分量引起的微区剥落是涂层冲蚀损伤的主要原因,增加多层涂层韧性是提高其抗冲蚀性能的关键.

不同热处理TiN/Ti多层涂层冲蚀损伤特征与机理

目的通过研究分析不同热处理TiN/Ti多层涂层在冲蚀作用下的损伤特征,揭示不同热处理TiN/Ti多层涂层冲蚀损伤的机理。方法采用磁过滤阴极真空弧沉积技术在TC4钛合金表面制备TiN/Ti多层涂层,利用热处理炉对试样进行不同的热处理(300℃/40 min,空冷;400℃/40 min,空冷;300℃/40 min,空冷+300℃/40 min,空冷),采用划痕仪、显微硬度计、扫描电镜、能谱仪等设备对热处理试样涂层的结合力、显微硬度、涂层损伤形貌特征、元素分布等进行表征,并在冲蚀试验平台上通过砂尘冲蚀性能试验(速度130 m/s,角度45°)进行验证。结果TiN/Ti多层涂层在低温(≤400℃)下经短时间热处理后,涂层的物相未发生变化,仍以TiN(111)、TiN(200)、TiN(220)和TiN(311)为主,涂层结构完整,最外层的TiN涂层没有发生氧化现象,涂层结合力基本未发生改变,显微硬度略有下降,由2764.1HV分别降至2748.9HV、2493.2HV、2255.2HV。TiN/Ti多层涂层的抗冲蚀性能变化不大,冲蚀速率由0.117 mg/min分别变为0.100、0.156、0.120 mg/min。结论低温(≤400℃)短时热处理对TiN/Ti多层涂层冲蚀性能的影响不大,冲蚀损伤机理为环形裂纹引起分层剥落的脆性剥落。

TiC/Ti(C,N)/TiN复合涂层在滑移区的高温微动磨损特性

采用化学气相沉积(CVD)技术,在1Cr13不锈钢基体上制备TiC/Ti(C,N)/TiN复合涂层。研究了该涂层从室温(25℃)到400℃的微动磨损特性,并与无涂层的1Cr13不锈钢基材比较。结果表明:在滑移区,温度对1Cr13不锈钢微动磨损影响较显著;随着温度上升1Cr13不锈钢摩擦系数减少,磨损体积下降;而温度对TiC/Ti(C,N)/TiN复合涂层磨损体积影响不大,且磨损量均很小。TiC/Ti(C,N)/TiN涂层表现出比1Cr13不锈钢优异的抗微动磨损性能。但当该涂层被磨去后,产生的硬质磨屑形成磨粒磨损,反而对基体造成更大的损伤。

TiN/Ti复合涂层高温微动磨损特性研究

采用等离子体浸没离子注入和沉积技术(PIII&D),在1Cr18Ni9Ti不锈钢上制备TiN/Ti复合涂层,用X射线光电子能谱仪(XPS)、X衍射(XRD)、俄歇能谱仪(AES)、扫描电镜(SEM)、激光共焦扫描显微镜(LCSM)对大气氛围中在室温、200℃和400℃的微动磨损特性进行了研究,结果表明:TiN/Ti复合涂层主要有Ti、TiN和Ti2N三种物相,涂层表面层的钛元素主要是以TiN和TiO2的形式存在,涂层与基材之间有一个Ti,N,Fe,Cr元素的过渡层;在部分滑移区,温度对复合涂层的磨损影响不显著,并且涂层的摩擦因数较低,磨损量较小,表现很好的耐磨性;在滑移区,随着温度的升高,复合涂层摩擦因数和磨损体积增加;在400℃由于该涂层被磨穿,其磨损体积比基材还大,其磨损机制主要表现为剥层磨损、氧化磨损和磨粒磨损。

等离子体浸没离子注入与沉积TiN/Ti复合涂层高温微动磨损特性研究

采用等离子体浸没离子注入与沉积技术(PIII&D),在T225NG钛合金基材上制备了TiN/Ti复合涂层。对沉积涂层的组织和化学成分作了XPS和AES分析,用扫描电镜SEM、能谱仪EDS和激光共焦扫描显微镜(LCSM)对该涂层大气氛围中室温(25℃),200℃和400℃的微动磨损特性与基材进行了对比研究。结果表明:复合涂层中的组织为TiN和TiO2;在部分滑移区和混合区,PIII&D TiN/Ti复合涂层摩擦因数随温度升高而降低,在滑移区,涂层摩擦因数波动较大,温度对基材摩擦因数影响不明显。在部分滑移区磨损轻微,在混合区和滑移区,涂层磨损机制以剥层和氧化磨损为主,局部存在磨粒磨损。

TiN/Ti多层涂层高速冲击损伤特征研究

为研究砂粒高速冲蚀TiN/Ti多层涂层的损伤特征,采用有限元方法模拟砂粒冲蚀TiN/Ti多层涂层过程,研究单颗粒高速冲击下涂层总厚度、调制比、冲击角度对TiN/Ti涂层损伤特征的影响。结果表明:砂粒冲击涂层过程中,冲击中心正下方的各TiN层下表面和冲击接触半径附近的各TiN层上表面均分布较大的拉应力,在冲击中心正下方各TiN层上表面主要分布较大的压应力;涂层内的最大拉应力和基体最大等效塑性应变随着涂层总厚度的增大先增大后减小,厚度最大时体现出良好的抗冲击性;增大多层涂层的调制比会造成涂层内的最大拉应力以及基体的最大等效塑性应变不断增大;砂粒冲击角度从小角度到大角度的过程中,涂层内的最大应力和基体最大等效塑性应变不断增大,冲击角度为90°时,TiN/Ti多层涂层的梯度作用不明显。

离子镀TiN/Ti(CN)多层涂层的力学性能与切削性能

采用多层结构的方法可以提高TiN刀具涂层力学性能和切削性能。采用离子镀技术制备了TiN(0.5μm) Ti(CN)(0.5μm) TiN(0.5μm)多层涂层。利用光学显微镜、原子力显微镜和微力学探针表征了涂层的微结构和力学性能,并研究了涂层对硬质合金铣刀切削性能的影响。结果表明,TiN Ti(CN)多层涂层表面平整、厚度均匀、与基底结合良好,硬度为28.5GPa。高速干式切削试验表明,与普通硬质合金铣刀相比,涂层铣刀的使用寿命提高5倍。

TiN/Ti强韧涂层在砂尘高速冲蚀下的失效机理

利用高速连续冲蚀试验系统,在不同的冲击角及供砂量下,对有无TiN/Ti强韧涂层的不锈钢试件进行了砂尘高速冲蚀试验,获得了试件的质量冲蚀率。采用扫描电镜(SEM)对涂层损伤表面及断面形貌进行观测与分析,研究TiN/Ti涂层在不同冲击条件下的失效机理。结果表明:TiN/Ti涂层质量冲蚀率随冲击角及供砂量的增加而增加。在低冲击角下,砂尘粒子的切削作用是导致涂层材料剥落的主要原因;高冲击角下,砂尘冲击引起的裂纹萌生及扩展致使涂层材料块状破碎而剥落。TiN/Ti涂层显著提高了不锈钢的抗冲蚀性能,尤其是在低冲击角下。低冲击角下,涂层能将不锈钢的冲蚀性能提高约5倍;高冲击角下能提高约2倍。

激光原位合成TiN/Ti_3Al基复合涂层

利用Ti与AlN之间的高温化学反应,在TC4钛合金表面激光原位合成了TiN/Ti3Al基金属间化合物复合涂层.借助XRD和SEM分析了涂层的物相组成和显微组织.结果表明,涂层主要由TiN和Ti3Al组成.当Ti与AlN摩尔比为4:2时,涂层中TiN含量随激光功率密度的增大而减小;Ti与AIN摩尔比为4:1时,TiN含量随激光功率密度的增大而增大.TiN增强相点阵常数的精确计算显示,涂层中TiN相出现晶格畸变现象,结合EDS分析表明,TiN固溶的Al含量随功率密度的增加而减小.SEM分析表明,TiN增强体的生长形态随着激光功率密度的增大由棒状逐渐向颗粒状转变.当Ti与AlN的摩尔比为4:1,激光功率密度为15.28 kW·s·cm^(-2)时,涂层表面的宏观形貌较好,微观组织无气孔和裂纹,试样截面显微硬度自基体至涂层表面变化平缓,涂层平均显微硬度达到844 HV_(0.2),约为基体合金的3.4倍.

TiN单层和TiN/Ti(C,N)多层涂层的结构和性能研究

借助XRD、SEM、纳米压痕和划痕仪研究了采用磁控溅射在硬质合金基体上沉积的TiN单层和TiN/Ti(C,N)多层涂层的组织结构和力学性能。研究表明:TiN与TiN/Ti(C,N)多层涂层的晶粒形貌均呈柱状晶结构,而TiN/Ti(C,N)多层涂层形成了TiN、Ti(C,N)交替的调制结构。由于界面强化作用,TiN/Ti(C,N)多层涂层表现出比TiN更高的硬度及与基体更好的结合力。

不锈钢雕塑的表面处理技术研究

采用磁控溅射的方法,在雕塑用304不锈钢基材表面制备了TiN和TiN/Ti涂层,对比分析了两种涂层的表面和截面形貌、元素分布、物相组成和电化学腐蚀性能。结果表明,TiN和TiN/Ti涂层表面都较为致密和平整,表面未发现有沉积气孔、剥落等缺陷存在,TiN和TiN/Ti涂层的厚度分别约为0.6μm和1.7μm,涂层与304不锈钢基材结合良好,界面结合处未发现裂纹或者气孔等缺陷存在;304不锈钢基材和涂层的耐腐蚀性能从高至低顺序为:TiN/Ti涂层>TiN涂层>Ti过渡层>304不锈钢基材,经过磁控溅射处理后的涂层的耐腐蚀性能都高于304不锈钢基材。