反应等离子喷涂(TiCr)N复合涂层的组织结构与性能研究

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TiN涂层常用来强化机械零件,切削工具和研磨工具的表面。此应用基于TiN的优异性能,例如高硬度,低摩擦系数和良好的耐腐蚀性。但是TiN有限的抗氧化性使其不适用于高温环境。第三元素的添加在一定程度上弥补了TiN在实际工作环境中的缺点。添加Cr元素制备的(TiCr)N复合涂层由于具有高硬度,高温抗氧化性和低摩擦系数的特性,近年来受到了广泛的关注。现在应用较广的制备(TiCr)N的方法包括反应磁控溅射,物理气相沉积,化学气相沉积和阴极离子镀。因等离子喷涂方法可以制备大多数金属复合涂层和陶瓷涂层,本论文采用等离子喷涂和燃烧合成相结合的方式(反应等离子喷涂)制备了(TiCr)N涂层。为复合氮化物的制备提供了一种新方法。在本研究中,通过热力学分析以及前期实验发现,制备(TiCr)N复合涂层需要在高N2气浓度气氛下喷涂,喷涂使用的Ti-Cr粉末要经过金属重构处理。喷涂Ti和Cr的金属重构粉末,制备了(TiCr)N复合涂层。用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)分析了(TiCr)N复合涂层的相组成和微观组织,揭示了涂层中Cr原子的存在形式。使用透射电子显微镜(TEM)和能谱分析仪(EDS)分析了所制备的(TiCr)N复合涂层的晶体结构,并通过对比实验研究了Cr元素含量对(TiCr)N复合涂层硬度和耐磨性的影响。将TiN涂层与(TiCr)N复合涂层在600°C、700°C、和800°C进行高温氧化处理,通过记录氧化增重速率和表面物相变化分析其高温抗氧化性能。研究发现(TiCr)N复合涂层主要由(TiCr)N和Cr相组成,(TiCr)N的微观结构是尺寸为50-150nm的晶粒组成的,当Ti-Cr重构粉末中Cr含量低于15wt.%时,Cr原子完全进入TiN晶格,Cr含量超过20wt.%时,(TiCr)N复合涂层中出现Cr单质相。Cr原子替代Ti进入TiN晶格,引起一定程度的晶格畸变,同时Cr原子在喷涂过程中抑制了Ti原子的高温氧化,导致涂层硬度明显高于TiN涂层。(TiCr)N涂层的硬度和耐磨性受其Cr含量的影响,在Cr含量低于15wt.%时,(TiCr)N涂层的硬度和耐磨性随Cr含量的增加而增强,在Cr含量高于15wt.%时,(TiCr)N涂层的硬度和耐磨性随Cr含量的增加而降低。(TiCr)N复合涂层的氧化增重速率明显低于TiN涂层,在600°C下氧化,TiN涂层的Ti已经充分被氧化,而15wt.%Cr和30wt.%Cr的(TiCr)N复合涂层表面依然可以检测到明显的(TiCr)N相,这说明Cr元素的掺杂可以显著提高(TiCr)N涂层的高温抗氧化性。
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