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磁控溅射制备(Cr_xAl_(1-x))N涂层及其本征、力学与高温氧化性能研究

侯凯  
【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(Cr_xAl_(1-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。


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