三种关键航空材料的电弧离子镀膜改性研究

【类型】学位论文

【作者】胡霖 

【关键词】 TC4钛合金 38CrMoAl钢 300M钢 电弧离子镀 硬质薄膜 力学性能

【摘要】伴随着世界范围内不确定因素的加剧,国防建设越来越受到世界各国的高度重视,其中航空领域在国防中扮演着越来越重要的角色,而制约各国航空工业发展的主要因素之一则是航空材料。本文针对现阶段航空领域主要应用的三种航空材料进行不同方法的表面改性处理,以期满足各自应用环境的使用性能要求。首先,本论文通过使用电弧离子镀技术在TC4钛合金基体上,通过改变偏压制备了一系列TiN/CrN多层薄膜,并对薄膜的表面形貌、厚度、相结构、硬度、膜基结合力和摩擦系数等性能进行了测试表征。结果表明：薄膜是由TiN相和CrN相交替叠加构成的多层薄膜,薄膜的调制周期为60nm,总的厚度约为480nm；偏压幅值与镀膜后样品的表面性能密切相关,随偏压幅值的增大,TiN/CrN多层薄膜的显微硬度值逐渐增加,在高偏压幅值时多层薄膜的显微硬度值达到24.7GPa；同时与基体摩擦系数0.35相比,TiN/CrN多层薄膜的摩擦系数降低到0.14-0.17,说明偏压幅值也是抗滑动磨损性能的主要影响因素,此外薄膜与基体结合牢固,膜基临界载荷在60N-80N之间,达到使用要求。经电弧离子镀TiN/CrN多层薄膜处理后,TC4钛合金可以满足沙粒和尘埃磨损条件下的耐磨性能要求。其次,针对使用环境相同的38CrMoAl钢和300M钢两种航空材料,进行相同设计的表面改性处理,同样使用电弧离子镀技术在两种基体上沉积TiN、ZrN-Cu、ZrN-Cr和ZrN-AIN四种不同膜系的薄膜,并对薄膜的结构与性能进行测试表征。结果表明：在所制备的四种薄膜中,ZrN-Cu薄膜在38CrMoAl钢和300M钢两种基体上的显微硬度值均达到最高,分别为29.99GPa和27.77GPa,比两种基体的显微硬度(2.53GPa、5.32GPa)分别提高了12倍和5倍左右；同时,膜基结合力及水接触角等性能也较其他薄膜优异,在摩擦系数性能指标上,ZrN-Cu薄膜在300M钢基体上低于其他三种膜系的薄膜,减摩性优异。综上所述：ZrN-Cu薄膜与其他三种薄膜相比,综合性能优异,可满足材料应用环境的整体性能要求。最后,针对性能较优异的ZrN-Cu薄膜调整薄膜中Cu的相对含量,并对相关性能进行测试。结果表明：薄膜中的Cu含量对ZrN-Cu薄膜性能的影响起到了重要的作用。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】大连理工大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】林国强

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