钛合金基体上AlCrN涂层的冲蚀磨损行为研究

摘要

目的研究钛合金基体表面的Al CrN涂层在固体粒子冲蚀条件下的磨损性能和材料去除机制。方法采用阴极电弧离子镀物理气相沉积技术在钛合金基体表面制备AlCrN硬质涂层。利用扫描电镜(SEM)分析冲蚀试验前后试样表面的微观形貌;利用能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析涂层的化学成分和物相组成;利用白光干涉轮廓仪检测试样表面粗糙度和冲蚀试验后试样表面的冲蚀坑深度;利用纳米压痕仪和多功能材料表面性能测试仪测量试样的显微硬度、弹性模量和涂层与基体的结合力;利用冲蚀试验机考察高角度冲蚀条件下试样的抗冲蚀磨损性能。结果抛光后的钛合金表面光滑,没有明显缺陷,硬度为4.29 GPa,弹性模量为141.02 Gpa。Al Cr N涂层厚度约为10.5μm,表面有大量尺寸不一的球形颗粒和圆形凹坑等生长缺陷,硬度为23.27GPa,弹性模量为264.95GPa,XRD图谱表明AlCrN涂层中主要存在AlN相和Cr N相。在冲蚀角度90°、粒子冲击速度85 m/s和冲蚀粒子供给速率(2±0.5) g/min的条件下,Al CrN涂层的冲蚀坑深度仅为钛合金基体的1/10。通过冲蚀表面微观形貌观察与分析发现,钛合金基体表面的冲蚀磨损特征主要有冲击凹坑、挤压唇和微切削痕,Al Cr N涂层表面的冲蚀磨损特征主要有微切削痕、大颗粒塑性变形和剥落坑。结论钛合金的冲蚀磨损行为为典型的塑性材料冲蚀磨损机制。AlCrN涂层在冲蚀早期为塑性材料冲蚀磨损机制,随着冲蚀的进行,既有塑性材料冲蚀磨损机制,又有脆性材料冲蚀磨损机制。