钛表面多弧离子镀沉积TiSiCN涂层的结构及其磨蚀性能研究

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钛合金质量轻、强度高、耐海水和海洋大气腐蚀,被认为是在严酷高湿热的海洋环境中最具有潜力的使役材料。但钛合金的耐磨损性能差,为适应快速发展舰艇、深潜器及海工装备的需求,开发集耐磨蚀和自润滑一体化的防护涂层材料非常迫切。具有超高硬度及优异的抗磨损性能的TiSiN涂层和具有优异的自润滑性能Ti3SiC2MAX相的材料受到广泛关注。本文采用多弧离子镀技术通过调控沉积参数制备高硬度、减磨耐磨的TiSiCN涂层。在此基础上,通过调控沉积偏压改变沉积过程中的粒子能量,探索制备非晶纳米晶与Ti3SiC2MAX相的耦合结构的TiSiCN涂层,建立物相结构和磨蚀性能的本构关系,并揭示涂层在海水中的失效机制。得到如下阶段性结论:1.TiSiCN涂层中包含TiN、TiC和Ti(C,N)纳米晶、非晶Si3N4和SiC及少量的非晶碳。2.当碳含量为11.9at.%时,TiSiCN涂层表现出最高的硬度(39.8GPa)和优异的抗磨蚀性能。在大气环境下,由于涂层中的碳发生了类石墨化转变及转移致使碳含量为22.2at.%的TiSiCN涂层表现出优异的摩擦学性能。3.在海水中涂层的退化主要是由机械磨损造成的,而化学腐蚀对涂层的退化贡献不大,另外磨损与腐蚀之间的交互作用也是涂层退化的一个重要因素。4.偏压引起离子能量的变化对TiSiCN涂层的组织和性能影响显著,其中晶粒尺寸不断减小、压应力不断增大,随着沉积偏压的增加,涂层中的峰位也逐渐由TiN向TiC偏移。5.沉积偏压为-100V时,TiSiCN涂层具有非晶纳米晶(nc-TiN,TiC,Ti(C,N)/α-Si3N4,SiC)与少量Ti3SiC2MAX相的耦合结构,此时TiSiCN涂层表现出高硬度、优异的抗磨蚀性能。6.涂层结构完整没有形成贯穿式的裂纹时,保护电位的存在可以有效的保护涂层免受电化学腐蚀,然而当海水沿腐蚀通道浸入涂层接触到基底后,保护电位的存在则会加速涂层的退化。
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