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汽轮机末级叶片抗水蚀氮化碳/氮化钛复合涂层制备及其相关基础研究

谢国胜  
【摘要】: 采用中频磁控溅射和多弧辅助中频磁控溅射技术在硅片、不锈钢、高速钢以及硬质合金等基体材料上制备C_3N_4涂层和C_3N_4/TiN纳米复合涂层,系统研究了C_3N_4涂层和C_3N_4/TiN纳米复合涂层的结构、物理性能、摩擦磨损、抗水蚀性能,相关基础研究成果在汽轮机末级叶片上得到了应用。主要结论如下: (1)采用中频磁控溅射技术在硅片上合成纯C_3N_4薄膜,X射线衍射分析表明薄膜中含有α和β两种结构的C_3N_4相,其中β相是C_3N_4薄膜的主要结晶相。光电子能谱和傅立叶红外光谱分析表明,薄膜中的C、N原子比值在1.06~1.24之间,C原子主要以sp~2和sp~3两种杂化状态存在,C、N原子以C-N键为主要键合方式。 (2)研制了多弧-中频磁控溅射系统,在2Crl3不锈钢和高速钢基体上沉积C_3N4/TiN纳米复合涂层,所制备涂层硬度超过40GPa,属于超硬涂层。AFM和SEM分析显示多弧-中频磁控溅射制备的C_3N_4/TiN涂层表面状况良好、涂层与金属衬底结合牢固。 (3)通过对涂层的性能测试及热冲击试验和摩擦磨损性能测试,发现涂层硬度和附着力受基体材料影响。在涂层的热冲击试验中,2Crl3不锈钢基体上C_3N_4/TiN复合涂层抗热冲击性能良好,在400℃以下,涂层几乎没有变化。在550℃时,发现在涂层的表面出现氧化物。摩擦磨损试验发现随着载荷的增加,摩擦系数有逐步增加的倾向,同时涂层和对偶球的磨损也逐步增加。C_3N_4/TiN复合涂层具有良好的抗摩擦磨损性能。 (4)在探讨汽轮机末级叶片水蚀失效机理的基础上,研制了水蚀试验装置并对设备的基本参数进行了测试。不锈钢基体、高铬铸铁、钴基合金的水蚀速率和水蚀破坏机理研究表明,研制的设备能对水蚀状况进行很好的模拟,设备具有操作简单、性能稳定、成本低廉等优点。 (5)高铬铸铁、钴基合金和涂C_3N_4/TiN涂层的2Crl3不锈钢等不同材料的抗水蚀性能对比试验发现,2Crl3不锈钢基体上C_3N_4/TiN涂层的抗水蚀性能比2Crl3不锈钢基体提高了将近50倍,优于目前国内外广泛使用的钴基合金,比钴基合金提高了3倍。 (6)2Crl3不锈钢基体上C_3N_4/TiN涂层的水蚀破坏形貌研究发现,当水滴撞击次数达到一定的次数后,在涂层的最表面,裂纹从应力集中区域萌生,随着水滴撞击次数的增加而扩展,最后导致最表面一定数量的涂层脆性断裂,当最表面涂层脆断剥落之后,水滴直接作用在涂层次表面上,涂层的断裂方式为逐层脆断方式。 (7)上述研究成果在电厂50MW汽轮机2Crl3不锈钢末级叶片上得到了应用,C3N4/TiN复合涂层抗水蚀性能优良。


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