PVD氮化物涂層的沖蝕磨損特性及機理的研究.pdf

1、在許多工程領(lǐng)域，固體粒子的沖蝕磨損是個嚴重的問題。涂層作為零部件表面的屏障，可以有效地保護處在沖蝕環(huán)境中工作的零部件，免受固體粒子的沖蝕。物理氣相沉積(P‘VD)是一種適用于制備較小厚度涂層且對基體材料的力學性能影響很低的涂層技術(shù)。因而，近年來，利用PVD涂層來提高零部件的抗沖蝕性能成為涂層應(yīng)用中的一個研究熱點。本文采用PVD技術(shù)制備了TiN、TiAlN、CrN、CrAlN、CrAlTiN涂層，對這些氮化物涂層的沖蝕磨損特性和磨損機理進

2、行了研究。
　　 以硬質(zhì)合金WC/TiC/Co、WC/Co和不銹鋼1Cr18Ni9Ti三種材料為基體，采用離子束輔助真空脈沖過濾弧沉積技術(shù)制備TriN、TiAlN、CrN和CrAlN四種涂層，采用非平衡磁控濺射技術(shù)沉積CrAlTiN涂層。通過對涂層的相組成、組織形貌、元素分布和微區(qū)成分的分析，以及對涂層的晶體學結(jié)構(gòu)與結(jié)合界面的微觀形貌的研究，發(fā)現(xiàn)涂層的主要相組成為相應(yīng)的氮化物，涂層致密，涂層元素分布均勻，涂層與基體結(jié)合良好，涂層

3、與基體中某些元素在界面處存在相互擴散，涂層與基體界面結(jié)合機制為機械結(jié)合與元素的相互擴散。對涂層的物理機械性能進行了檢測，得到涂層的厚度、顯微硬度、彈性模量、結(jié)合力及殘余應(yīng)力等性能參數(shù)。在所研究的氮化物涂層中，以TiAlN涂層的顯微硬度最高，硬度值為32.40 GPa，CrN涂層的硬度值最低，只有16.50 GPa；TiAlN彈性模量最高為580 GPa，CrN涂層的彈性模量最低，僅有360 GPa；以WC/Co基體上CrAlN涂層的結(jié)合

4、力最高，其值為88.56 N，以WO/Co基體上CrAlTiN涂層的結(jié)合力最低，為48.36 N；硬質(zhì)合金基體上涂層的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而不銹鋼基體上涂層的殘余應(yīng)力多為拉應(yīng)力。
　　 通過對涂層沖蝕磨損試驗結(jié)果的分析，揭示了不同基體上各涂層的沖蝕磨損特性。WC/TiC/Co基體上四種涂層與基體的沖蝕磨損率由低到高的順序為TiAlN

5、的1/4倍；WC/Co基體上四種涂層與基體的沖蝕磨損率由低到高的順序為CrAlN　　 通過對涂層物理機械性能與沖蝕磨損性能的關(guān)系進行分析，揭

6、示了涂層機械性能對沖蝕磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)涂層的硬度和彈性模量對涂層沖蝕性能的影響不是單因素作用，而是綜合起作用。通過分析不同基體材料的特性與涂層沖蝕磨損率的關(guān)系，揭示了基體材料性能對涂層沖蝕性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)涂層沖蝕性能并不取決于基體硬度，基體彈性模量與涂層彈性模量相當時，涂層沖蝕率較低。
　　 通過對涂層表面微觀形貌的觀察與分析，研究了各涂層的沖蝕表面形貌特征，發(fā)現(xiàn)沖蝕破壞開始于涂層表面組織的生長缺陷。用離子束輔助真空

7、脈沖過濾弧技術(shù)沉積涂層的破壞從涂層表面的宏觀粒子和空穴開始，采用磁控濺射技術(shù)沉積涂層的破壞從表面的空穴開始。
　　 基于壓痕斷裂力學理論，建立了尖銳粒子沖蝕條件下涂層沖蝕磨損模型，并結(jié)合涂層的沖蝕形貌，分析了該模型的有效性。對單個尖銳粒子沖蝕條件下涂層材料的去除體積進行了分析，用涂層的機械性能參數(shù)硬度H和彈性模量E來描述單個尖銳粒子沖蝕條件下涂層的去除體積函數(shù)，揭示了涂層機械性能對去除體積的影響。
　　 通過對涂層沖蝕磨

8、損表面宏觀形貌、微觀形貌及沖蝕斷面微觀形貌進行綜合分析，揭示了涂層的沖蝕磨損機理。TiN涂層的沖蝕磨損機理以涂層材料的脆性疲勞斷裂為主，TiAlN涂層的沖蝕磨損機理隨基體不同而有差別：WC/TiC/Co基體上TiAlN涂層材料去除方式主要有微切削和脆性疲勞斷裂。WC/Co基體上TiAlN涂層材料去除以脆性疲勞斷裂為主；1Cr18N1i9Ti基體上TiAlN涂層，涂層的去除方式有微切削、塑性疲勞斷裂和脆性疲勞斷裂三種。CrN涂層材料的主要