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反应等离子喷涂纳米TiN涂层的研究

冯文然  
【摘要】: 纳米涂层材料已成为表面工程研究领域的一个重要分支,而反应生成纳米涂层材料由于具有更为优异的性能,成为近年来的研究热点。 自行研制了气体隧道反应等离子喷枪,并用于反应等离子喷涂,通过喷涂Ti粉实现Ti-N_2反应制备出了纳米TiN涂层。本文主要研究了反应等离子喷涂TiN涂层的工艺参数,涂层的力学与摩擦磨损性能,讨论了纳米TiN涂层形成的机理。利用XRD、SEM、TEM及HRTEM等分析手段研究分析了涂层的结构、微观组织,以及涂层内的晶体缺陷。 研究发现,在本试验条件下,当P≈28~40kW,N_2/Ar=1:1至3:1,反应室N_2气流量为20L/min,枪距为20-30mm时,沉积速率最高,约为57.2 μm/s,涂层的横截面显微硬度最高可达Hv_(100)=2027.9。 试验结果表明,反应等离子喷涂TiN涂层主要由TiN相以及极少量Ti的氧化物组成。TiN涂层呈波浪状多层组织,涂层组织致密,层间结合情况良好。TEM分析表明,涂层由直径50~70nm之间的纳米晶构成;高分辨观察说明,TiN涂层中的纳米微晶是被非晶包围着的,纳米晶之间为小角度晶界。涂层中存在扩展位错、位错塞积列、(孪)晶界等晶体缺陷。 TiN涂层具有明显的硬度压痕尺寸效应,利用显微压痕技术计算出反应喷涂TiN涂层的断裂韧性值为K_(IC)=4.51MPa·m~(1/2),明显高于热喷涂Al_2O_3及ZrO_2涂层。 在无润滑条件下,反应等离子喷涂TiN涂层的耐磨性明显高于淬火M2钢,在高载荷下,其耐磨性是M2钢的2.5倍;同时,由于TiN的自润滑效应,涂层的减摩性远远优于M2钢,高载荷下摩擦系数仅是M2钢的5.3%。 反应等离子喷涂TiN涂层本质上是等离子辅助化学气相沉积,以及Ti在N_2气中燃烧合成TiN。喷涂过程中参与反应的N元素来自离子气和反应室中的N_2气,以后者为主。


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