电弧离子镀Ni-Cr-N涂层体系设计及腐蚀磨损性能研究

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本文利用电弧离子镀(Arc Ion Plating,AIP)技术在42CrMo钢基体表面制备不同元素含量、循环周期及子层成分的Ni-Cr-N涂层体系,利用XRD、XPS、SEM、显微硬度计、电化学工作站以及腐蚀磨损试验机等表征方法系统研究上述因素对涂层成分、组织结构、力学性能、电化学腐蚀性能以及腐蚀磨损性能的影响规律。研究结果如下:(1)通过调节靶材组分制备出不同元素含量的NiCr N涂层,结果表明:涂层物相主要由金属Ni相、Cr2N及CrN陶瓷相组成。随着涂层Ni含量增加,涂层与基体结合强度提高,而涂层硬度从759 HK0.025逐渐降低至566 HK0.025。动电位极化测试结果显示:涂层腐蚀电位正于基体,自腐蚀电流密度比基体小一个数量级,说明涂层耐蚀性显著优于基体。根据腐蚀磨损动力学曲线可知,随着涂层Ni含量增加,涂层失重速率先降低后升高,44.1 at.%Ni涂层失重速率最低,腐蚀磨损16 h后失重量仅为7.54×10-3 g/cm2。在腐蚀磨损过程中,腐蚀介质以涂层中贯穿性缺陷作为腐蚀通道与基体发生接触,使得腐蚀优先发生在膜-基界面的基体上。腐蚀、磨损的交互作用加速涂层失效。(2)在NiCrN涂层成分优化的基础上制备出不同循环周期的Cr/NiCrN多层涂层,结果表明:涂层物相主要由Ni、Cr金属相、Cr2N及Cr N陶瓷相组成。随着涂层循环周期从1增加至15,涂层与基体结合强度不变(HF 2),而涂层硬度从882 HK0.025逐渐升高至964 HK0.025。腐蚀磨损动力学测试结果显示,随着涂层循环周期增加,涂层失重速率逐渐降低,Cycle-15涂层腐蚀磨损16 h后失重量仅为4.14×10-3 g/cm2。涂层缺陷作为薄弱环节在腐蚀磨损环境下优先遭到破坏,多层涂层存在两类失效形式:对于贯穿性涂层缺陷而言,其腐蚀磨损失效机理与单层涂层类似;对于非贯穿性涂层缺陷而言,涂层表面缺陷位置首先破坏导致涂层逐渐减薄,基体因失去涂层防护作用而破坏。(3)在NiCrN涂层成分及循环周期优化的前提下,在保持NiCrN涂层成分不变的基础上,改变子层成分,制备Cr/NiCrN、NiCr/NiCrN及CrN/NiCr N多层涂层,结果表明:三种多层涂层均展现出优良的膜-基结合力,涂层硬度排序为:CrN/NiCrN>Cr/NiCrN>NiCr/NiCrN。根据腐蚀磨损动力学曲线可知:Cr/NiCrN涂层失重速率最低,腐蚀磨损16 h后失重量仅为4.14×10-3 g/cm2,表明腐蚀磨损性能最佳。
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