打底层对钛合金上CrAlYN复合镀层摩擦磨损性能的影响

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钛合金硬度低,对硬质镀层的支撑力差,导致钛合金上PVD硬质镀层承载时膜基易开裂,因此打底层的弹性模量是影响膜基结合的首要因素。相较其他金属材料,钛合金的热导率及热膨胀系数小,膜基处热应力突变大,是限制膜基结合强度的另一因素。基于此,本文选用磁控溅射的方法制备了纯Cr、纯Ti及三种不同Cr、Ti含量的双金属混合打底层,井在不同打底层上制备了 CrAlYN 复合镀层。研究打底层对钛合金上CrAlYN复合镀层摩擦磨损性能的影响,探讨钛合金上硬质镀层打底层材料的选择及制备原则。研究结果表明:五种打底层的厚度基本一致,其中双金属打底层均为机械混合状态。纯Cr打底层的弹性模量最高,Cr:Ti(at%)=3:1的打底层具有最高的硬度和硬弹比。不同打底层的CrAlYN复合镀层厚度均为2μm左右,而打底层的弹性模量,硬度及硬弹比和CrAlYN复合镀层呈正相关。常温摩擦磨损实验表明CrAlYN镀层的摩擦系数取决于打底层硬度。其中,打底层为Cr:Ti(at%)=3:1时,镀层的摩擦系数最低。纯Ti打底层的镀层摩擦系数最高;400℃退火处理后,除镀层的膜基结合强度稍有下降,镀层保持稳定状态。镀层摩擦系数取决于打底层的硬度和热膨胀系数,其中打底层硬度的影响规律与室温摩擦磨损相同:400℃热冲击后,镀层的相组成未发生改变。热冲击后镀层的摩擦系数主要取决于打底层与基体热膨胀系数的匹配度,当打底层为Cr:Ti(at%)=3:1时,打底层热膨胀系数和基体最匹配,镀层摩擦系数最低。纯Ti打底层尽管膜基失配度最小,但CrAlYN镀层摩擦系数最高。对于TC4钛合金而言,PVD硬质镀层中打底层的硬度是影响摩擦学性能的主要因素。当硬度接近时,镀层膜基结合取决于打底层与TC4基体热膨胀系数匹配;若摩擦磨损环境中热影响较大,打底层的热膨胀系数是决定钛合金上PVD 复合镀层摩擦学性能的主要因素。
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