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PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损特性及机理研究

【摘要】:涂层作为一种改善材料性能的有效手段在工程中得到了广泛的应用,特别是其优异的耐磨、耐腐蚀和抗氧化性能能够有效地提高材料的耐磨性和使用寿命。涂层在使用过程中的剧烈摩擦会产生大量的摩擦热,使接触面温度急剧升高,因此工程中对涂层材料的高温摩擦磨损性能有很高的要求。本课题制备了五种氮化物涂层,围绕高温摩擦学,对摩擦理论、氧化反应、高温摩擦磨损特性及磨损机理进行了系统深入的研究。 采用阴极弧蒸镀的方法制备了TiN、TiAlN、AlTiN、CrN和CrAlN五种氮化物涂层,经检测分析发现:含Al元素的TiAlN、AlTiN和CrAlN涂层的硬度比TiN和CrN涂层明显提高,表面和横截面结构更加致密,高Al含量的AlTiN和CrAlN涂层晶粒变小。与Ti基类涂层相比,Cr基类涂层的表面粗糙度略小但结合强度较高. 把环境温度以及摩擦温升引起的热应力考虑在内对高温摩擦应力进行了理论和模拟分析计算,结果显示:在涂层与基体的界面结合处应力突变,且随温度的升高,突变程度增加,涂层易脱落。从热应力的角度对比五种涂层发现,CrAlN涂层的高温热力学性能最好,而TiN涂层最差。 对TiN、TiAlN、AlTiN、CrN和CrAlN五种涂层的高温氧化特性进行了理论分析和试验研究。采用物质吉布斯自由能函数法对涂层氧化反应进行了热力学计算,结果表明:高温下生成Al203的热力学推动力最大,Cr203最小。从氧化动力学的角度考虑,Al203和Cr203能保持完整且生长缓慢,属保护性薄膜,而Ti02结构疏松不具保护性。涂层氧化的过程受热力学和动力学因素的共同交互作用。Al元素的加入形成的Al203能够阻止涂层的深层氧化,且随Al含量的增加,CrAlN和AlTiN两涂层的抗氧化性能提高。相同温度下Cr基涂层的抗氧化性能要优于Ti基涂层,因为Ti基涂层呈现一种柱状晶结构,氧沿着松弛的柱状晶粒边界垂直向涂层内部扩散相对较易,氧化过程很大程度上受氧向涂层内部扩散的控制。而Cr基涂层晶体结构为随机非柱状生长,晶粒生长的不一致性使得氧化的进程较为缓慢。五种涂层的抗氧化能力大小为CrAlN AlTiN TiAlNCrNTiN。 系统研究了五种PVD氮化物涂层200℃-700℃的高温摩擦磨损特性。TiN和CrN涂层在高温高速高载的摩擦环境下耐磨性较差。TiAlN涂层在高温高速低载下具有较好的摩擦特性,AlTiN涂层的摩擦系数和磨损量随温度、速度和载荷的增大而减小,说明其适应高温高速高载的摩擦环境,而CrAlN涂层更适合于高温高载低速的摩擦工况。在相同的实验条件下,CrN涂层的高温耐磨性低于TiN。Al元素的加入可以提高涂层的耐磨性,且高Al含量的AlTiN涂层的高温耐磨性能最好。 分析了五种涂层的高温磨损机理。由于摩擦温升,涂层氧化更易发生,尽管涂层的轻微氧化可以提高耐磨性,但氧化加剧却可以造成涂层的最终失效。除氧化磨损外,TiN涂层的高温磨损机理为磨粒磨损、塑性变形以及对磨副之间的粘着磨损。TiAlN涂层在循环应力的作用下发生脆性断裂。较高的Al含量使AlTiN涂层的化学活性明显增加,因而发生粘着磨损。CrN涂层的硬度较低,易在力的作用下多次塑变失效,而CrAlN涂层只发生了磨粒磨损和氧化磨损。 硬度对涂层磨损形式具有很大的影响,TiN、TiAlN与CrAlN涂层高温下的磨痕存在明显的磨损区、磨屑压实区和磨屑粘着区的分界,而高温下硬度较高的AlTiN涂层由于磨屑的粘着形成了负磨损。不同成份的氧化产物对涂层的摩擦磨损造成了很大的影响,TiO_2的硬度和剪切强度都比较低,会使涂层产生低摩擦高磨损现象。Al_2O_3能够对涂层起到保护作用,结合能起到润滑作用的TiO_2,使得TiAlN与AlTiN涂层的耐磨性明显增加。尽管Al_2O_3与Cr_2O_3的混合氧化膜致密且承载能力较好,但由于硬度较高,对磨球磨损加剧,较多的磨屑在封闭环境下充当磨粒反而会加速CrAlN涂层的磨损。

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