第十三届全国表面工程大会暨第十二届全国青年表面工程论坛

62 / 2020-09-14 14:30:30

结构设计对TiB2/Cr多层涂层机械性能和摩擦学行为的影响

二硼化钛,多层涂层,结构设计,摩擦磨损

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TiB₂陶瓷涂层具有高硬度、熔点和化学稳定性而被作为耐磨涂层在工业生产中被广泛应用，但较高的脆性是限制TiB₂涂层在航空发动机中钛合金基体上使用的主要原因。在摩擦磨损过程中，低弹性模量钛合金基体表面TiB₂涂层中大量贯穿裂纹的产生和较高的内应力使涂层易于局部脱落，丧失防护作用。研究者受自然界中由碳酸盐和有机物多层交替结构的牡蛎壳的启发，设计陶瓷/金属多层结构涂层，该多层结构可提高涂层韧性和结合强度。金属Cr涂层是一种工业中常用的耐磨、抗蚀涂层。一方面，金属Cr涂层的硬度和弹性模量较高，与Ti和TiAl等中间层相比，纯金属Cr中间层可与TiB₂涂层良好匹配。另一方面，在接触载荷作用下，Cr中间层可通过孪晶变形吸收能量，提高多层涂层韧性。本文设计TiB₂/Cr多层涂层总厚度为1.2 um，其由4组厚度为300 nm的TiB₂/Cr双层涂层组成，通过调整双层涂层中TiB₂所占厚度比值Q实现涂层结构优化。采用有限元方法对TiB₂/Cr多层涂层进行层厚比优化设计，采用磁控溅射工艺制备TiB₂/Cr多层涂层。并通过试验验证TiB₂/Cr多层涂层设计对涂层机械性能和耐磨性提高的可行性。研究结果表明，在根据摩擦磨损试验工况建立的有限元受力分析中，Q为0.5和0.8的TiB₂/Cr多层涂层具有最优的应力分布。随着Cr中间层厚度提高，层厚比Q减小，涂层残余压应力降低。涂层硬度和弹性模量分别由30 GPa和327 GPa降低至18 GPa和240 GPa，在钛合金表面涂层结合强度显著提高。但当Q降低至0.3时，涂层结合强度恶化。同时，结合有限元受力分析的TiB₂/Cr多层涂层设计可改善涂层的韧性和耐磨性，当Q为0.5时，由于涂层具有最小的剪应力集中区域和最高的韧性（K_Ic=2.30 MPa mm^1/2）而体现出优异的摩擦学性能，其磨损率较单层TiB₂涂层降低70 %。此外，通过划痕法测量临界载荷计算获得的裂纹扩展抗性CPRs=L_c1（L_c4-L_c1）可与单层TiB₂和多层TiB₂/Cr涂层的磨损率良好对应。因此，CPRs值可用于钛合金表面此类陶瓷涂层体系磨损率的预测。