北京航空航天大学李刘合教授团队：调制周期对CrNx/TiAlSiN多层涂层抗冲蚀性的影响

2024-11-29 13:13:56 作者：表面云社区来源：表面云社区分享至：

背景与意义

在沙尘环境下，固体颗粒冲蚀是造成航空机械零部件失效的主要原因之一。尤其在沙漠环境下高速旋转的发动机设备来说，冲蚀破坏更为严重。近年来，钛合金因其强度高、质量轻、热膨胀系数低、耐腐蚀性优异和较高的断裂韧性，已被广泛应用于制造航空发动机风扇/压气机叶片和盘等的结构原材料。但由于其相对低的硬度，在沙漠环境下，钛合金发动机叶片或者叶盘常因沙砾冲蚀磨损而失效。TiN硬质涂层因具有较高硬度、较低增重、较高稳定性，最早被认为是改善机械零部件抗冲蚀性能的高效措施之一。随着工业水平发展和苛刻服役环境下耐受性需求的提升，TiN硬质涂层得到了快速发展，如增加多元组成、设计多层多界面结构、或构造成分梯度变化或结构渐变模式等。近年来，多层硬质涂层受到研究学者们的广泛关注，被认为具有优异的抗冲蚀性能。这主要归功于增加的界面抑制了裂纹扩展或者对扩展的裂纹起到了高效偏转效果，提升了硬质涂层的韧性。

北京航空航天大学李刘合教授团队采用HiPIMS和电弧离子镀技术分别控制TiAlSiN与CrN_x/硬质涂层的沉积制备，通过控制每个靶前样品静置的时间调节调制周期，于TC6基体上制备了6个不同调制周期的CrN_x//TiAlSiN多层涂层体系。研究了调制周期对涂层的显微结构、物相组成、纳米硬度、弹性模量、涂层与基体之间结合力以及抗冲蚀性能的演变规律，获得不同调制周期下多层涂层抗冲蚀损伤的机制。

关键词：电弧复合磁控；多层涂层；调制周期；抗冲蚀性能；损伤破坏

图文导读

结论

采用电弧离子镀复合HiPIMS沉积技术，制备了不同调制周期下CrN_x/TiAlSiN多层涂层，研究了调制周期对多层涂层组织、结构、力学性能及冲蚀特性的影响，获得以下结论：

1）CrN_x/TiAlSiN多层涂层中主要存在面心立方c-(Ti,Al)N、c-Cr、c-CrN和六方h-Cr₂N相。随着调制周期减少（层数增多），晶粒得到细化，而表面粗糙度表现出先增加后下降的规律。

2）与单层TiAlSiN涂层相比，多层CrN_x//TiAlSiN涂层与基体的结合力增加幅度不高，但均能维持较强结合水平。硬度和弹性模量逐渐下降，但韧性（H/E比值）逐渐上升。抗冲蚀性能表现出同韧性一样的变化规律，于5个调制周期数目下的样品（M10），抗冲蚀性能最优，相对单层TiAlSiN涂层提高4倍。

3）CrN_x//TiAlSiN多层涂层具有相对平整的表面冲蚀痕，主要损伤机制和单层TiAlSiN涂层一样，为横向和纵向疲劳裂纹的交互作用，以碎屑的形式从涂层表面去除，表现为逐层剥落的特征行为。

文章信息

该文章发表在《表面技术》第53卷第19期。

引文格式：李花, 李刘合, 李多铎, 等. 调制周期对 CrNx/TiAlSiN 多层涂层抗冲蚀性的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(19): 82-92.

LI Hua, LI Liuhe, LI Duoduo, et al. Effect of Modulation Periods on Erosion Performance of CrNx/TiAlSiN Multilayer Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(19): 82-92.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.19.008

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