科研動態

省科學院新材料所抗沖蝕涂層研究取得新進展

來源: 時間:2020-11-19

  沖蝕磨損是工程材料中常見的磨損現象。當固體顆粒(沙子,粉煤灰,和火山灰等)被氣流夾帶并撞擊工件表面時會發生固體顆粒侵蝕(SPE)。國際上,陶瓷基抗沖蝕涂層已廣泛應用于壓氣機流道部件,旨在減緩砂粒環境下對材料的沖蝕,從而延長流道部件的服役壽命。而國內在陶瓷基抗沖蝕磨損涂層方面雖也進行了一些研究探討,但仍未形成體系,在實際應用中并未使用陶瓷基抗沖蝕防護涂層。 

  廣東省科學院新材料研究所真空鍍膜研究室一直致力于陶瓷基抗沖蝕涂層的應用及失效機制研究,以電弧離子鍍制備技術為基礎,先后制備了Ti/TiN/Zr/ZrN、CrAlNx/CrAlN、Cr/CrN/Cr/CrAlN等陶瓷基抗沖蝕涂層。經研究發現,抗沖蝕涂層的服役壽命和可靠性與其表面質量和抗裂性密切相關,硬度過高而韌性不足是造成涂層過早失效的主要原因之一。針對這一問題,廣東省科學院新材料研究所周克崧院士和西安理工大學蔣百靈教授課題組聯合培養博士研究生王迪對梯度多元多層抗沖蝕涂層的沖蝕性能和斷裂失效機理開展了深入的研究。利用復合磁場電弧離子鍍技術制備了強韌化多層Cr基抗沖蝕涂層,經工藝優化,大幅度地消除了涂層中的大顆粒。利用FIB技術原位切割涂層壓痕斷裂區域發現層間的界面處存在滑移,層中包含大量晶格畸變和晶粒偏轉,該偏轉在層間界面處引發剪切臺階。上述步驟被充當應力集中器并誘發裂紋萌生,提供裂紋擴展的通道。在涂層受沖擊后導致應力集中在表面層中,迫使脆性層(CrAlN層)斷裂,從而引起層與層的沿界面處相對位移。由于這些層是連接的,因此應力會逐層傳播,而晶粒的偏斜和界面效應會逐漸消耗應力傳播能量。結合ABAQUS軟件模擬計算了涂層受沖蝕過程中的應力變化,如圖3所示為砂礫沖蝕涂層達到最低點時Cr/CrAlN和Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層的整體應力分布S33(沿Z方向應力)(速度為0 m / s)??梢钥闯鲈谕繉拥臎_擊中心附近應力最大,并且逐層減小。在水平方向上,Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層的拉伸應力區域更寬且逐漸減小,表明其具有更強的側向分散應力能力。這也說明,Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層具有更好的縱向和橫向應力消散能力。另外,在砂礫的沖擊過程中,高拉伸應力是涂層中裂紋形成和傳播的主要原因。通過對涂層失效機制的研究,為進一步優化涂層性能和成分結構設計,開發應用型陶瓷基抗沖蝕防護涂層奠定了豐富的實驗和理論基礎。 

  相關的研究成果已經發表在SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY、CERAMICS INTERNATIONAL、VACUUM和稀有金屬材料與工程等本領域權威期刊上。該研究工作得到國家重點研發項目、廣東特支計劃本土創新創業團隊項目、廣東省自然科學基金、廣東省科學院科技發展專項等項目支持。 

  相關鏈接: 

  [1] https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.217  

  [2] https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126352 

  [3] https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.109064 

  [4]Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(8): 2583-2590 

  

圖1. Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層截面形貌及EDS線掃描結果(a為截面,b為線掃) 

  圖2. 預制應力前后Cr/CrN/Cr/CrAlN涂層的微觀結構變化(a為預制應力前,b為a局部放大圖,c為預制應力后,d為c局部放大圖) 

  圖3. 當砂礫達到最低點時,涂層的整體應力分布(a為Cr/CrAlN,b為Cr/CrN/Cr/CrAlN) 

 ?。ㄊ】茖W院新材料所 王迪/供稿) 

附件下載:
精品人妻av区_精品视频国产香人视频_精品国偷自产在线