第十四届全国表面工程大会

146 / 2022-09-18 18:11:26

调制周期对TiN/Ti多层涂层砂尘冲蚀损伤机制的影响

调制周期；,TiN/Ti,砂尘冲蚀,损伤机理

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直升机和运输机等作战设备在砂尘环境下服役时，大量砂尘被高速、多角度地吸入发动机，对压气机叶片造成冲蚀磨损，作为压气机叶片的常用材料之一，钛合金对裂纹高度敏感，故砂尘冲蚀问题极大地威胁着钛合金叶片的工作性能与使用寿命。大量研究表明，表面防护涂层是改善航空压气机叶片在砂尘冲蚀极端工况下服役性能的有效技术手段。

涂层材料在砂尘冲蚀条件下的损伤机制是实现砂尘防护涂层性能提升设计的理论依据。然而，由于砂尘冲蚀过程的复杂性与剧烈性，以及涂层材料在组织结构和材料属性方面的特殊性，涂层材料的砂尘冲蚀损伤机理十分复杂，研究难度大。目前关于涂层砂尘冲蚀损伤机理的研究多通过观测涂层材料的最终损伤形貌，推断其可能经历的损伤过程，缺乏直接有力的证据，这在很大程度上制约了砂尘防护涂层的优化设计。

本文采用金属蒸汽真空弧离子源注入与磁过滤阴极真空弧相结合的复合镀膜系统，制备了4种不同调制周期的TiN/Ti多层涂层。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪，依次表征了各涂层的微观组织结构、物相组成和力学性能。为探究调制周期对TiN/Ti多层涂层砂尘冲蚀损伤机制的影响，采用光学显微镜定位跟踪分析了各TiN/Ti多层涂层在砂尘冲蚀工况下的宏观损伤特征，发现涂层表面凹坑状沉积缺陷是涂层发生砂尘冲蚀损伤的起源地，并最终导致涂层过早失效。进一步结合聚焦离子双束电镜系统，研究了各涂层的微观损伤特征和内部裂纹分布与扩展规律，揭示了TiN/Ti多层涂层的砂尘冲蚀损伤机制具有调制周期依赖性，其中TiN层厚度主要影响涂层的承载能力和冲击变形量，进而决定涂层受到砂尘冲蚀时萌生的裂纹密度，Ti层厚度则对涂层内的裂纹扩展特征具有重要影响，进而导致大调制周期TiN/Ti多层涂层的砂尘冲蚀损伤表现为以分散状脆性剥落的形式，发生逐层渐进式失效，而小调制周期TiN/Ti多层涂层则以跨层块状大面积剥落的形式，发生迅速失效。该研究为航空压气机叶片砂尘防护涂层的制备工艺改善和结构优化设计提供了有力指导，具有重要科学意义。