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激光冲击强化前处理对tin/ti涂层/基体疲劳性能的影响

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中国表面工程 2021年第3期34卷 120-129页

作者：曹鑫何卫锋汪世广唐琳刘景元胡家兴中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所绵阳621000 空军工程大学等离子体动力学重点实验室西安710038 空军航空大学航空作战勤务学院长春130022

采用磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面沉积抗冲蚀多层梯度tin/ti涂层,沉积前对基体进行激光冲击强化前处理。采用原子力显微镜、纳米压痕和划痕仪表征了试件的表面形貌、基本力学性能等,对试件的疲劳性能进行了考核,并分析了疲劳断... 详细信息

采用磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面沉积抗冲蚀多层梯度tin/ti涂层,沉积前对基体进行激光冲击强化前处理。采用原子力显微镜、纳米压痕和划痕仪表征了试件的表面形貌、基本力学性能等,对试件的疲劳性能进行了考核,并分析了疲劳断口形貌。结果表明,LSP前处理在TC4表面形成了厚度约为300μm,具有高硬度和残余压应力的硬化层。TC4合金基体的平均疲劳强度为373.8 MPa,制备tin/ti涂层后试件的疲劳强度为363.7 MPa,较基体略有降低。增加LSP前处理后试件的疲劳强度为411.9 MPa,较tin/ti涂层试件提高13.3%,较无涂层试件提高10.2%。tin/ti涂层可以抑制表面上的裂纹萌生并减缓其扩展速率,但在拉伸过程中发生破碎而与基体发生剥离,裂纹抑制效果有限,且涂层的破裂促进了裂纹扩展。采用LSP前处理后,TC4表面形成的硬化层增加裂纹萌生难度,且提高的结合强度可降低裂纹扩展速率。

关键词： tin/ti涂层激光冲击强化 ti-6Al-4V合金疲劳性能

恒定动能Si_3N_4颗粒重复冲击不同厚度tin/ti涂层损伤特征对比分析

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表面技术 2018年第12期47卷 205-213页

作者：吕长乐何卫锋徐伟胜蔡振兵廖斌曹鑫谭超空军工程大学等离子体动力学重点实验室西安710038 西南交通大学摩擦学研究所成都610031 北京师范大学核科学与技术学院北京100875

目的研究砂粒冲击航空发动机压气机叶片不同厚度的tin/ti硬质涂层损伤特征与机理。方法采用Si3N4硬质球恒定动能垂直重复冲击试验方法,研究厚度对tin/ti涂层冲击损伤的影响。通过对比涂层动力学响应、能量吸收率、冲击坑点轮廓、H3/E2... 详细信息

目的研究砂粒冲击航空发动机压气机叶片不同厚度的tin/ti硬质涂层损伤特征与机理。方法采用Si3N4硬质球恒定动能垂直重复冲击试验方法,研究厚度对tin/ti涂层冲击损伤的影响。通过对比涂层动力学响应、能量吸收率、冲击坑点轮廓、H3/E2值和损伤形貌,分析不同厚度涂层的冲击坑点损伤特征。利用ABAQUS软件仿真获得垂直冲击下涂层的应力分布。结果在调制比为9∶1的两层tin/ti涂层中,厚度为25μm的涂层坑点直径最大,达到382.49μm,比坑点直径最小的涂层(20μm)大了24.8%;厚度为25μm的涂层坑点最深,达到8.17μm,比坑点最浅的涂层(15μm)大了49.9%;厚度为5μm涂层的接触力峰值最大,为161.4 N,比接触力峰值最小的涂层(20μm)大了26.1%。随着涂层厚度的增加,涂层的抗冲击能力先增加后减小,厚度为20μm的涂层抗冲击能力最好。冲击坑点损伤特征有三种:中心区与过渡区的疲劳剥落与疲劳磨损,边缘区的疲劳圆周裂纹与疲劳剥落,涂层/基体变形,其中,以剥落为主。结论硬质层内的应力梯度和重复交变拉/压应力导致硬质层内产生疲劳圆周裂纹和疲劳剥落,硬质层与结合层界面处的高应力梯度导致产生层间疲劳剥落。

关键词：重复冲击 tin/ti涂层动力学响应疲劳圆周裂纹疲劳剥落应力梯度

离子注入对TC4钛合金tin/ti涂层结合力和抗砂尘冲蚀性能的影响

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表面技术 2020年第7期49卷 184-191,198页

作者：黄达何卫锋吕长乐曹鑫廖斌汪世广空军工程大学等离子体动力学重点实验室西安710038 北京师范大学核科学与技术学院北京100875

目的通过离子注入提高tin/ti涂层的结合力和抗冲蚀性能。方法先采用金属蒸气真空弧(MEVVA)离子源在TC4基体上分别注入四种离子(Mo、ti、Nb、Co),再用磁过滤真空阴极弧(FCVA)技术制备tin/ti涂层。采用非球面测量仪、AFM、XRD和纳米压痕仪... 详细信息

目的通过离子注入提高tin/ti涂层的结合力和抗冲蚀性能。方法先采用金属蒸气真空弧(MEVVA)离子源在TC4基体上分别注入四种离子(Mo、ti、Nb、Co),再用磁过滤真空阴极弧(FCVA)技术制备tin/ti涂层。采用非球面测量仪、AFM、XRD和纳米压痕仪,对四种离子注入的TC4基体表面粗糙度、表面形貌、物相结构、纳米硬度和弹性模量进行表征,采用划痕仪测量涂层的结合力,采用涂层冲蚀考核平台对不同试样进行砂尘冲蚀性能试验。结果经过Mo、ti、Nb离子注入的tin/ti涂层的结合力和抗冲蚀性能都有提高,其中Mo离子注入的tin/ti涂层的结合力达71 N、耐冲蚀时间为80 min,与未离子注入涂层相比,分别增加31.5%和77.8%,而平均冲蚀率降低39.5%,仅为0.0078mg/g。Co离子注入的tin/ti涂层的结合力仅为40 N,平均冲蚀率增大了19.0%,达0.0433 mg/g,其抗砂尘冲蚀性能明显下降。结论离子注入涂层的抗砂尘冲蚀性能与结合力密切相关,随着结合力的增大,tin/ti涂层的平均冲蚀率减小,其耐冲蚀时间增加,选择合适的离子注入可提高tin/ti涂层的抗冲蚀性能。

关键词： TC4钛合金离子注入 tin/ti涂层结合力砂尘冲蚀

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硬质颗粒重复冲击tin/ti涂层损伤分析

中国表面工程 2017年第5期30卷 28-35页

作者：徐伟胜何光宇蔡振兵廖斌曹鑫何卫锋空军工程大学等离子体动力学国家级重点实验室西安710038 西南交通大学摩擦学研究所成都610031 北京师范大学核科学与技术学院北京100875

航空发动机压气机叶片表面制备硬质涂层可显著提高其抗砂尘冲蚀性能,但砂粒高角度冲击对涂层损伤严重,易出现脆性裂纹。采用受控动能型重复冲击设备模拟硬质颗粒对涂层的高角度冲击,研究调制比、层数结构对tin/ti涂层冲击损伤的影响,并... 详细信息

航空发动机压气机叶片表面制备硬质涂层可显著提高其抗砂尘冲蚀性能,但砂粒高角度冲击对涂层损伤严重,易出现脆性裂纹。采用受控动能型重复冲击设备模拟硬质颗粒对涂层的高角度冲击,研究调制比、层数结构对tin/ti涂层冲击损伤的影响,并根据涂层损伤特征、冲击力学响应以及应力分布分析涂层的破坏机理。结果表明,tin/ti涂层出现剥落和圆周裂纹;硬质层内部、硬质层与结合层/过渡层界面存在高的应力梯度,而冲击坑点边缘硬质层上表层受到拉应力且由于材料堆起,在重复冲击下将导致涂层的疲劳剥落和圆周疲劳裂纹。调制比、层数显著影响涂层冲击响应过程,其中不同调制比的2层涂层,调制比为3:1的抗冲击性能较好;调制比为9:1的不同层数涂层,4层结构的抗冲击性能较好。

关键词： tin/ti涂层重复冲击发动机叶片能量吸收率接触力

航空发动机叶片tin/ti涂层基体冲蚀响应数值模拟

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表面技术 2015年第7期44卷 81-85页

作者：张翼飞何光宇王学德何卫锋柴艳空军工程大学等离子体动力学国家级重点实验室西安710038

目的研究ti N/ti涂层结构变化对TC4钛合金基体冲击塑性应变的影响。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立球形Al2O3颗粒冲击覆有ti N/ti涂层TC4基体的二维轴对称模型,分析涂层硬质层厚度、硬质层层数对基体在冲击过程中的等效塑性应变的影... 详细信息

目的研究ti N/ti涂层结构变化对TC4钛合金基体冲击塑性应变的影响。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立球形Al2O3颗粒冲击覆有ti N/ti涂层TC4基体的二维轴对称模型,分析涂层硬质层厚度、硬质层层数对基体在冲击过程中的等效塑性应变的影响规律。结果对于无涂层的基体,其冲击塑性应变仅发生在冲击的加载阶段,冲击塑性应变分为加载及卸载两个阶段,加载阶段基体的塑性应变由球形颗粒的冲击产生,卸载阶段基体的塑性应变由涂层硬质层的回弹产生。对于单层结构涂层,当硬质层厚度低于12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变较大且呈振荡变化;当硬质层厚度超过12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变减小。对于多层结构涂层,当硬质层的厚度不变,增加涂层硬质层层数使得基体的塑性应变减小。结论有限元可以模拟分析ti N/ti涂层结构对TC4钛合金冲蚀性能影响规律,优化ti N/ti抗冲蚀涂层的结构设计参数,对抗冲蚀涂层的结构设计及其进一步研究具有指导意义。

关键词：抗冲蚀涂层基体数值模拟塑性应变航空发动机叶片 tin/ti涂层

tin/ti强韧涂层在砂尘高速冲蚀下的失效机理

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航空动力学报 2019年第9期34卷 1866-1872页

作者：陈伟李舟赵振华颜诚马松林南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室

利用高速连续冲蚀试验系统,在不同的冲击角及供砂量下,对有无tin/ti强韧涂层的不锈钢试件进行了砂尘高速冲蚀试验,获得了试件的质量冲蚀率。采用扫描电镜(SEM)对涂层损伤表面及断面形貌进行观测与分析,研究tin/ti涂层在不同冲击条件下... 详细信息

利用高速连续冲蚀试验系统,在不同的冲击角及供砂量下,对有无tin/ti强韧涂层的不锈钢试件进行了砂尘高速冲蚀试验,获得了试件的质量冲蚀率。采用扫描电镜(SEM)对涂层损伤表面及断面形貌进行观测与分析,研究tin/ti涂层在不同冲击条件下的失效机理。结果表明:tin/ti涂层质量冲蚀率随冲击角及供砂量的增加而增加。在低冲击角下,砂尘粒子的切削作用是导致涂层材料剥落的主要原因;高冲击角下,砂尘冲击引起的裂纹萌生及扩展致使涂层材料块状破碎而剥落。tin/ti涂层显著提高了不锈钢的抗冲蚀性能,尤其是在低冲击角下。低冲击角下,涂层能将不锈钢的冲蚀性能提高约5倍;高冲击角下能提高约2倍。

关键词： tin/ti涂层砂尘冲蚀冲击角质量冲蚀率失效机理

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压气机抗冲蚀涂层对钛合金疲劳性能的影响

航空学报 2024年第19期45卷 312-324页

作者：曹正柴艳何光宇张兆路李璞查小晖西安交通大学材料科学与工程学院西安710049 空军工程大学航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室西安710038 西安交通大学机械工程学院西安710049 中国航发湖南动力机械研究所株洲412002

航空发动机压气机叶片的砂尘冲蚀问题是航空发动机性能衰减、寿命降低的原因。抗冲蚀涂层是提高压气机叶片抗砂尘冲蚀能力的有效方法,但是硬质涂层的引入会降低金属叶片的疲劳性能。采用离子镀技术在TC4钛合金表面沉积厚度相同的tin单... 详细信息

航空发动机压气机叶片的砂尘冲蚀问题是航空发动机性能衰减、寿命降低的原因。抗冲蚀涂层是提高压气机叶片抗砂尘冲蚀能力的有效方法,但是硬质涂层的引入会降低金属叶片的疲劳性能。采用离子镀技术在TC4钛合金表面沉积厚度相同的tin单层涂层和tin/ti多层涂层。采用扫描电子显微镜、纳米压痕仪、X射线应力分析仪表征了试样的表面、截面形貌以及基本力学性能,对比分析了不同涂层、无涂层TC4基体的旋转弯曲疲劳性能,讨论分析了tin、tin/ti涂层对TC4基体疲劳性能影响的机制。旋转弯曲疲劳试验结果表明,TC4钛合金基体在1×106循环周次下的中值疲劳强度为530.5 MPa,而沉积tin、tin/ti涂层的TC4钛合金试样在该条件下的中值疲劳强度则分别为529.2、492.5 MPa,与未沉积涂层的TC4基体试样相比,分别下降了0.24%、7.16%。涂层损伤基体疲劳性能的机制为涂层开裂加速了基体的疲劳失效。而且tin涂层表面粗糙度较低且残余压应力较大,相较于tin/ti涂层,tin涂层对TC4钛合金基体疲劳性能的损伤比例更小。

关键词： tin涂层 tin/ti涂层 TC4钛合金离子镀疲劳性能

固体自润滑涂层在波箔轴承中的摩擦磨损性能研究

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固体自润滑涂层在波箔轴承中的摩擦磨损性能研究

作者：倪莎南京航空航天大学

学位级别：硕士

波箔轴承因其优异的性能在高速旋转机械中具有广阔的应用前景,但启停阶段的摩擦磨损严重影响其使用寿命。因此,本文分别对箔片和轴径表面的固体自润滑涂层进行了实验研究以及性能探索。在分析涂层固化成膜及附着机理的基础上,结合箔片... 详细信息

波箔轴承因其优异的性能在高速旋转机械中具有广阔的应用前景,但启停阶段的摩擦磨损严重影响其使用寿命。因此,本文分别对箔片和轴径表面的固体自润滑涂层进行了实验研究以及性能探索。在分析涂层固化成膜及附着机理的基础上,结合箔片轴承表面的摩擦磨损特点设计了涂层构成成分,并采用空气喷枪法制备了低温固化的耐高温磷酸盐涂层。为优化成分配比,利用正交实验法确定了涂层的最佳固化温度和固化剂含量;通过对不同配方涂层的综合性能测试,发现加入莫来石纤维有利于增强涂层韧性及粘结强度,当镍基金属润滑填料为粘结剂含量的70%时,涂层表面质量最好、硬度最高,平均摩擦系数仅为0.27,耐磨减摩性能优良。在以热处理温度、加载载荷和转速为不同变量的销盘摩擦磨损实验中,优化后的涂层从室温到500℃范围内的摩擦系数始终保持在0.3～0.5;载荷过低会影响涂层磨损过程中的平稳性,而载荷过高会导致磨损量增加;涂层的摩擦系数和磨损量都随着转速的升高呈现为先升后降的趋势;涂层磨痕形貌特征主要表现为磨粒磨损。为探索硬质薄膜在波箔轴承中的减摩、耐磨效果,采用真空多弧离子镀在GCr15轴径表面制备了tin/ti涂层。实验结果表明涂层表面质量良好、与基体结合强度高,平均摩擦系数仅为0.23。通过台架实验装置对tin/ti涂层轴径进行实际工况性能测试,发现与未镀膜轴径相比,其最大摩擦力矩明显下降,耐磨性良好,启停过程稳定性大大提高,充分说明该涂层具有良好的润滑性能、承载性能和优异的耐磨减摩性能。

关键词：波箔轴承磷酸盐涂层摩擦系数 tin/ti涂层耐磨减摩性能

镍钛合金表面沉积tin/ti微纳米多层膜的性能研究

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镍钛合金表面沉积TiN/Ti微纳米多层膜的性能研究