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摘要

极端服役条件的出现对涡轮喷气发动机压气机叶片防护涂层提出了越来越高的性能要求, 具备厚且韧, 同时满足结合力高且耐磨性好的硬质涂层是未来极端服役环境下的潜在涂层. 本文利用磁过滤阴极真空弧技术在304L不锈钢基底上成功地沉积了厚且韧的TiN硬质涂层, 并利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对涂层的形貌、结构和性能进行了研究. 实验结果表明: 沉积过程中, 对TiN涂层进行周期性地高能离子轰击处理, 能够实现TiN大晶粒抑制, 降低涂层内应力, 使TiN涂层实现连续生长, 涂层的厚度可达到50 μm, 沉积速率接近0.2 μm/min; 同时控制N ₂气流量不变生成稳定的非化学计量TiN _x, 使TiN涂层具有一定的韧性. 制备的TiN涂层属于超硬涂层, 硬度和弹性模量最高分别可达到38.24和386.53 GPa; TiN涂层的结合力良好, 压痕无剥落形貌和径向裂纹, 涂层的韧性优良; TiN涂层的 $ H/E^* $ 和 $ H^3/E^{*2} $ 值最高可达到0.0989和0.3742; 厚且韧的TiN硬质涂层表现出优良的耐磨性, 摩擦系数最低为0.26.

关键词:

Abstract

There are some high requirements for mechanical property to protective coatings of turbojet engine compressor blades as the appearance of extreme service conditions. The hard coating with high toughness, good adhesion, good wear resistance and excellent load carrying capacity is a potential coating for extreme service conditions in the future. Thick yet tough TiN hard coatings were successfully deposited on 304L stainless steel substrates by magnetic filtered cathodic vacuum arc technology. The morphology, structure and properties of the coatings were studied by SEM and XRD, etc.The results show that the continuous growth of TiN coatings attributed to periodic high energy ion bombardment which can suppress the large grain size and reduce the internal stress. The thickness of TiN coating can reach to 50 μm and the deposition rate was close to 0.2 μm/min. At the same time, the stable non stoichiometric TiN _0.9can be formed by controlling the constant N ₂flow rate, which can improve the toughness of TiN coatings. All TiN ciatings belong to superhard coating and the max value of hardness and modulus of elasticity were 38.24 GPa and 386.53 GPa respectively. TiN coatings have good adhesion and excellent toughness.The highest $ H/E^{*} $ and $ H^3/E^{*2} $ rate of TiN coating can reach to 0.0989 and 0.3742. Thick yet tough TiN hard coatings have excellent wear resistance with the lowest friction coefficient of 0.26.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:廖斌,liaobingz@126.com

基金项目:广东省重点领域研发计划(批准号: 2019 B090909002)、国家科技重大专项(批准号: 2017-VII-0012-0107)和国防科技重点实验室基金(批准号: 614220207011802)资助的课题

Authors and contacts

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Corresponding author:Liao Bin,liaobingz@126.com

Funds:Project supported by the Key Area R&D Program ofGuangdong Province, China(Grant No. 2019 B090909002), the National Science and Technology Major Projectof the Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 2017-VII-0012-0107), and the National Defense Science and Technology Key Laboratory Fundof China (Grant No. 614220207011802)

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