磁控溅射制备(CrxAl1-x)N涂层及其本征、力学与高温氧化性能研究

论文摘要

为了延长燃气轮机叶片的使用寿命并提高其使用性能,利用闭场非平衡磁控溅射技术,通过调整铝靶功率,在2Cr10MoVNbN不锈钢基体上制备了不同铝含量的(CrxAl1-x)N梯度防护涂层。利用带能谱功能的扫描电子显微镜和STM对涂层进行形貌观察与成分分析,用XRD进行相结构分析。涂层厚度利用球磨法测定并观察涂层断面SEM图予以佐证。由于涂层较薄,采用纳米硬度压痕法测量硬度和弹性模量,并利用显微硬度仪对复合硬度进行测定。涂层结合力参考DIN-Fachbericht39标准进行表征,同时利用pin-on-disc试验机对涂层的摩擦磨损性能进行测定并观察磨痕形貌。参考GB/T13303-91《钢的抗氧化性能测定方法》标准对不同工艺制备的涂层试样进行800℃高温氧化试验,并利用XRD、EDS和SEM等设备对氧化后的涂层相结构和表面状态进行观察分析。试验结果表明,不同工艺制备的涂层均为非晶态结构,随着涂层中铝含量的增加,涂层表面颗粒逐渐长大并出现颗粒间粘结。由于厚度仅为几个微米,涂层硬度采用纳米压痕法来分析,随铝含量的增加,最高硬度值虽然减小,但与基体之间的过渡平缓,这使涂层与基体之间的形变协调性较好。涂层制备工艺有多种,其中E工艺制备的涂层铝、铬原子比为1:2.3,涂层与基体的结合力较其他制备工艺的结合力好,且具有一定的摩擦磨损性能,这可能是由于涂层的非晶态结构与足量铝的加入使涂层的塑韧性得到提高所致。涂层在800℃下的抗高温氧化能力随其中铝含量的增加而得到提高。未制备涂层的基体试样2小时氧化后就出现了铁的氧化物;E工艺试样氧化20小时后,宏观上仍具有原始涂层试样的光泽与平滑程度,微区表面氧化物颗粒细小,氧含量较低,并且XRD分析发现仅存在少量铬的氧化物与铝铬化合物,无扩散形成的氮化物与其他氧化物,具有比其他工艺更好的800℃抗高温氧化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 表面改性技术及涂层制备
• 1.2.1 表面改性工程发展概况
• 1.2.2 涂层制备技术
• 1.3 物理气相沉积（PVD）技术制备涂层
• 1.3.1 物理气相沉积（PVD）技术分类概述
• 1.3.2 磁控溅射技术原理及特点
• 1.4 功能涂层与其表征技术
• 1.4.1 功能涂层分类
• xAl_1-x)N涂层研究进展'>1.4.2(Cr_xAl_1-x)N涂层研究进展
• 1.4.3 涂层表征技术
• 1.5 试验主要工作内容
• 第二章 涂层设计与试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 涂层设计及制备
• xAl_1-x)N涂层设计'>2.2.1(Cr_xAl_1-x)N涂层设计
• 2.2.2 涂层制备各项参数
• 2.3 涂层本征及其力学性能表征
• 2.3.1 涂层本征性能表征
• 2.3.2 涂层力学性能表征
• 2.4 涂层抗高温氧化性能试验
• 2.5 本章小结
• 第三章 涂层本征与力学性能
• 3.1 涂层本征性能
• 3.1.1 不同工艺涂层元素比
• 3.1.2 涂层相结构分析
• 3.1.3 涂层表面形貌分析
• 3.1.4 涂层厚度
• 3.2 涂层力学性能
• 3.2.1 涂层硬度
• 3.2.2 涂层结合力
• 3.2.3 涂层摩擦磨损性能
• 3.3 本章小结
• 第四章 涂层800℃抗高温氧化能力
• 4.1 高温氧化理论简述
• 4.1 1 高温氧化热力学基本定理
• 4.1.2 金属氧化动力学规律
• 4.1.3 氧化机理
• 4.2 涂层高温氧化实验数据分析
• 4.3 氧化膜相结构及其表面形貌分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢