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[学位]

多弧离子镀多层涂层的制备与应用研究

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Author:

雷哲锋 (雷哲锋.)

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学位论文库

Abstract:

本文的研究方向属于表面工程领域,表面工程是通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理,改变固体(金属、非金属)表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况,以获得表面所需性能的系统工程。硬质涂层作为最重要的分支已经广泛应用于精密加工、模具制造、耐磨减磨、腐蚀防护等诸多领域。随着工业技术的快速发展,服役环境的复杂性和多样性给硬质涂层领域提出了更多新的要求,如:超高温、超硬、超耐磨、超耐腐蚀等。本文针对精密加工、模具制造、腐蚀防护等应用领域对涂层工业提出的要求开发了一系列多层结构硬质涂层,主要工作如下:
在航空发动机高温组件的加工过程中,刀具的服役环境极其苛刻,所选择的涂层需要同时满足高韧性、超高硬度、耐高温、抗氧化等诸多要求。大量研究表明,具有纳米尺寸多层结构的硬质涂层具有极高的力学性能。以此为基础,本文首次应用多弧离子镀方法制备了纳米尺寸多层结构硬质涂层,其调制子层选择具有较高力学性能和耐高温性能的TiAlN和ZrN涂层,具有最优综合性能的样品为具有对称结构(调制比为1:1)的多层涂层。研究发现:所制备的TiAlN/ZrN多层涂层不仅具备了纳米多层结构的超硬效应,也整合了两种调制层的强韧性能,更是将涂层的服役温度提高到850℃以上,比TiAlN、ZrN子层分别提高了50℃、100℃,可使涂层刀具的服役寿命大大提高。
在研究一系列不同N2:CH4流量比的TiAlCN单层结构四元涂层力学性能的基础上,针对工具、模具的耐磨减磨要求,设计了一系列不同调制周期和调制比的TiAlN/ TiAlC0.37N0.63 纳米尺寸多层涂层。其中TiAlC0.37N0.63调制子层的工作气体为Ar(12 sccm)、N2(35sccm)和CH4(35sccm)的混合气体,而且单层结构的TiAlC0.37N0.63涂层具有较高的硬质相含量(Ti-C, 18.2%)、最高的润滑相含量(graphite, 6.8%)、最优的结合强度(~53N)、最低的摩擦系数(COF=0.53)和最高的H3/E2因子比值(0.63)。对于多层涂层,当调制比为1:1时样品获得最高高硬度 (HV0.10=2793, 厚度3.5 μm) 和最低的摩擦系数(COF=0.46),其综合性能远远高于任一调制子层所对应的单层结构涂层。
作为最重要的金属结构材料之一,304不锈钢已广泛应用于多个领域。然而当其在氯离子含量高于25ppm的环境中服役时则会发生应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀。事实上,氯离子广泛分布于体液、海水、土壤等环境中。为了进一步扩展304不锈钢的应用领域,本文首先利用多弧离子镀方法开发了一种具有超高耐腐蚀性能的氧化物(ZrO2)涂层的快速沉积方法,并以此为基础设计了纳微米尺寸的ZrN/ZrO2多层涂层以应对氧化物高脆性的弱点。通过动电位极化等方法对不同结构涂层在盐酸溶液中的耐蚀性能,研究发现:所制备的多层涂层不仅具有优异的膜基结合强度和良好的韧性,并且能够作为304不锈钢的防护涂层抵御包括3.5 wt%NaCl、10 wt% HCl和20 wt% HCl等多种溶液的侵蚀,极大程度的扩展了304不锈钢的应用领域。

Keyword:

TiAlN ZrN ZrO2 多层涂层 多弧离子镀

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 宋忠孝

Year: 2017

Language: Chinese

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30 Days PV: 4

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