TC4合金磁控溅射TiNi/TiN复合涂层及抗冲蚀磨损性能研究

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在现代飞机制造中,TC4钛合金主要应用于飞机结构件,包括发动机转动和非转动部件,如风扇圆盘、风扇叶片、压缩机叶片等。飞行器在沙漠等恶劣环境条件下的服役过程中,外界气流或高速液滴所携带的固体粒子会对材料表面造成严重的冲蚀,极易造成零部件的损耗,甚至报废。  为了提高TC4钛合金的抗冲蚀磨损性能,本文利用磁控溅射技术在合金表面制备了一种TiNi超弹性涂层或TiNi/TiN复合涂层。采用XRD、SEM、纳米压痕仪、划痕仪、电化学工作站等方法对涂层的物相结构、结合力、力学性能以及电化学耐腐蚀性能进行表征,并通过冲蚀试验评估涂层的抗冲蚀磨损性能。试验表明:550℃是磁控溅射制备TiNi涂层最适合的衬底温度,获得的TiNi涂层为富Ni涂层,常温下为B2相,具有优异的超弹性能,且涂层致密度高,与TC4基体结合力好。而所制备的TiNi/TiN复合涂层具有高硬度高模量,同样表现出优异的抗腐蚀性能。冲蚀试验表明:TiNi/TiN涂层的抗冲蚀质量损耗与TC4基体相比最低减少43.54%,从而有效的提高TC4部件的抗冲蚀磨损能力。  TiNi/TiN涂层具有优异抗冲蚀的机理在于:涂层是由耐冲蚀的高硬度表面TiN涂层和超弹性TiNi涂层组合而成,在具备高硬度的同时具备有更好的韧性,TiN涂层具有的高强度可以有效的保护TiNi中间层,直到TiN涂层慢慢被冲蚀粒子损耗殆尽。在此过程中TiNi层的超弹性相变机制具有极高的响应速度,有效耗散了冲蚀过程中粒子冲击表面携带的能量,延缓其应力导致裂纹及损伤的扩展,延长了TiN涂层的使用寿命,有效的提高了材料的抗冲蚀性能。在TiNi/TiN涂层制备过程中,过厚的TiNi中间层反而会降低涂层的抗冲蚀性能,Ti层的加入可以减小基体和TiNi中间层的内应力,提高涂层的抗冲蚀性能。
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