CrN/CrAl（Si）N多层涂层海水环境腐蚀磨损行为研究

作     者：孙绪伟 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李文生;胡克潮;王永欣

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：多弧离子镀 多层涂层 海水环境 摩擦学行为 腐蚀磨损行为 

摘      要：海洋环境中服役的工程机械运动零部件,在海水作用下往往受到腐蚀与摩擦磨损的交互作用,导致材料过早失效,严重影响设备的正常运行,并危及安全。氮化物涂层由于其优异的性能被广泛应用到机械、刀具、模具等各个领域,也有望为海洋海工装备零部件提供优异的抗腐蚀磨损防护作用。本文采用多弧离子镀技术在316不锈钢表面制备高通量CrAlN涂层、CrN/CrAlN多层涂层、不同调制比CrN/CrAlSiN多层涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、透射电子显微镜(TEM)对其表面和截面形貌进行表征,利用X射线衍射仪(XRD)、辉光放电发射光谱仪(GDOES)、能谱仪(EDS)对涂层的微观组织和元素分布进行分析。使用纳米压痕仪和划痕仪表征涂层的硬度、弹性模量和结合力。通过往复式摩擦磨损试验机对涂层的摩擦学行为进行研究,并进一步通过摩擦磨损试验机和三电极电化学工作站组合的系统测试其在海水环境下腐蚀磨损性能。结果如下:研究了Al含量变化对高通量CrAlN涂层微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明随着Al含量的增加,涂层的硬度、弹性模量和结合力,先增大后减小,当Al含量为19.27%时具有最大值,分别为37.48 GPa、517.88 GPa和20.15 N。涂层在大气环境和海水环境中的摩擦系数和磨损量均呈现先降低后升高的趋势,力学性能是影响涂层耐磨性的主要因素。与大气环境相比,海水环境中摩擦系数和磨损量降低了50%左右,主要是由于与海水介质发生化学反应,生成具有润滑效果的Ca CO、Mg CO等物质。Al含量为19.27%时,CrAlN涂层的耐磨损性能最佳。研究了CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层在大气环境下摩擦学性能,并进一步研究其在海水环境下腐蚀磨损行为。与单层相比,多层涂层结构更为致密,力学性能明显提升,硬度高达37.65 GPa。干摩擦条件下,CrN/CrAlN多层涂层具有较低的摩擦系数和磨损量,分别为0.53和0.0030 mm。在海水环境下,多层涂层具有较高的腐蚀电位和较低的腐蚀电流密度,表现出优异的耐腐蚀性。随着外加电位的增加,涂层的损失量逐渐增加,腐蚀促进磨损。研究了CrAlSiN单层和不同调制比CrN/CrAlSiN多层涂层腐蚀磨损行为。在干摩擦条件下,多层涂层的摩擦系数和磨损量均低于单层,随着调制比的增大,先升高后降低,最低磨损量为0.0031 mm。在海水环境下,摩擦系数变化不大,均在0.28左右。材料损失量随调制比的增加,升高后降低。当调制比为1:1时,材料损失量最低。