WxCrN及WZrCrCN梯度涂层的组织结构与性能研究

作     者：高雪鹏 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李杨

授予年度：2022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：奥氏体不锈钢 WxCrN涂层 WZrCrCN梯度涂层 多弧离子镀 摩擦学性能 电化学腐蚀性能 

摘      要：含钨涂层具有较小的晶粒尺寸、高熔点、高硬度等特点,可应用于刀具、阀门、管道及活塞杆等部件的表面防护。其中氮化钨PVD硬质涂层更是因为物相结构发生改变、耐摩擦磨损性能强及具有较高耐腐蚀性而有越来越多的研究者作相关报道。当下涂层研究开始向创新性更强的方向发展,例如对涂层的结构进行设计并改进,目的是打破研究瓶颈并进一步提高涂层的力学及摩擦学等性能。在已有的其他梯度涂层的报道中,对涂层进行结构的创新性设计而制备的多层级梯度涂层,相比单层涂层具有更高的结合强度及涂层质量,有效提高了涂层的塑韧性及摩擦学等性能。为了对脱盐化工及航空航天等领域的复杂机械零部件的表面强化,本文意在探究合理钨占比的氮化钨涂层,不仅要具有显著的硬度、强度性能,还应挖掘可用于摩擦腐蚀环境下的优异性能,并进一步对不同的含钨涂层做梯度设计。本论文采用多弧离子镀技术在奥氏体不锈钢（1Cr17Ni8）表面制备了四种钨元素占比的Wx Cr N涂层（x=0,7.65 wt.%,19.02 wt.%,24.35 wt.%）及四种不同结构设计的WZrCrCN梯度涂层。主要工作如下:（1）对于Wx Cr N涂层,探究不同钨元素重量比对涂层组织结构及性能影响。微观结果显示,Cr N相（110）衍射峰强度减小,（200）峰增强,主要物相为Cr N、α-WN、β-W2N以及Cr2N组成的混合相。由于钨元素形成了具有强化作用的固溶体,且与铬元素形成的的金属化合物提高了涂层强度,W含量改变涂层中Cr的相对占比,α-WN相含量逐渐超过较细晶粒的β-W2N相,同时增加了钨元素与铬元素形成金属相数量,使W24.35Cr N涂层的硬度提升至不锈钢基体的三倍,W7.56Cr N涂层腐蚀电流密度相比不锈钢基体降低两个数量级,表现出最佳抗腐蚀性。（2）对于WZrCrCN涂层设计不同结构梯度,主要物相为Zr N、Cr N及Cr2N相,表现出（200）的择优取向,稀有金属Zr使涂层晶粒度进一步细化,四种结构涂层均表现出细晶强化现象。涂层厚度约8.5μm时具有最大维氏硬度,约为4100HV0.05。因为梯度涂层的表层中引入强度较高、活泼性较强的Zr元素并对涂层进行结构梯度设计,有效提高了涂层的硬度、防磨穿及抗变形能力,但因受到不可避免的梯度涂层各层级间残余应力影响,其韧性也相对有所下降。总之,对涂层的结构进行合理设计的WZrCrCN梯度涂层其综合性能相比于WCr N涂层有所提升。（3）在油润滑条件下,四种Wx Cr N涂层的摩擦系数在0.11至0.17附近波动,均出现迅速增大又逐渐稳定在0.16的情况,涂层表面形成稳定油膜减少涂层氧化。WZrCrCN梯度涂层的摩擦系数均在0.11至0.12附近,结构设计的梯度涂层耐磨性得到较大幅度提升。WZrCrCN涂层表现出较高的结合强度及耐摩擦磨损性能。这是由于不同结构设计的梯度涂层在摩擦试验中具有多层级保护基体作用,Zr元素起到细晶强化作用。