摘要
冲蚀磨损是指固体颗粒或流体以一定速度或角度冲击材料表面造成破坏损耗的现象，严重威胁着如航空发动机等空天、国防重大装备的使用安全和服役寿命。在关键金属部件表面涂覆硬质耐磨涂层是提高其抗冲蚀磨损性能并延长服役寿命的关键。随着航空航天工业的迅猛发展，以TiN为代表的传统单层涂层已无法满足钛合金压气机叶片的防护需求，因此开发性能更加优异的抗冲蚀防护涂层刻不容缓。本文从涂层强韧一体化以及界面强结合的角度出发，采用多源阴极电弧离子镀制备Ti/TiN/TiAlN多层涂层，通过表征测试后对涂层中的薄弱区域进行优化，制备得到Ti/TiN层界面优化及含有梯度韧性层的Ti/TiN/TiAlN梯度多层涂层，研究涂层中的韧性层和界面提升涂层抗冲蚀性能的作用机制，揭示Ti/TiN/TiAlN梯度多层涂层的冲蚀失效机理，最后针对基体预处理与涂层性能之间的关系进行了探索。本研究工作对后续设计、制备强韧一体化的抗冲蚀涂层能够提供一定的理论基础。 首先，为了实现涂层-基体界面硬度平缓过渡以及降低涂层残余应力，设计制备了硬度和组分梯度变化的Ti/TiN/TiAlN多层涂层，研究不同Ti/TiN底层厚度比对TiAlN表层抗冲蚀性能的影响以及对涂层的膜基结合力、残余应力、承载能力和抗裂纹性能的作用规律。结果表明:Ti层能够提升膜基结合力、降低残余应力、协调变形以及吸收能量;TiN层在硬度过渡、保持涂层承载能力等方面有重要作用;Ti/TiN层厚度比=1∶2时涂层拥有最好的抗冲蚀性能(90°:0.060±0.0002mg/g; 30°:0.024±0.0068 mg/g);涂层在划痕测试和冲蚀测试中的失效机理类似:径向裂纹主要从Ti/TiN层界面萌生，TiAlN表层在失效过程中最先发生破碎。 其次，为了改善Ti/TiN层界面的结构突变，通过引入界面梯度结构进行界面优化;同时通过引入梯度韧性层提升TiAlN表层的韧性。因此，在Ti/TiN/TiAlN多层涂层的基础上，设计制备了包含界面优化以及不同数量梯度韧性层的Ti/TiN/TiAlN梯度多层涂层，对其综合性能进行测试表征并探究梯度多层涂层在不同冲蚀角度下的失效机理。结果表明:Ti/TiN层界面的梯度结构能够提升涂层的内聚力;梯度韧性层能够有效提升涂层的韧性、膜基结合力以及抗冲蚀性能，在冲蚀失效过程中表现出“粘结”、应力吸收以及协调变形的作用，从而延缓硬质层剥落，大幅提升涂层在高角度冲蚀条件下的抗冲蚀性能（90°:0.026±0.0083mg/g）;梯度韧性层的引入增加了涂层中的界面数量，在抑制径向裂纹扩展以及使横向裂纹偏折等方面有重要作用;梯度多层涂层在不同冲蚀角度下的失效机理类似，均为“层接层”的失效形式，且多层涂层在剥落过程中表现为“脆性-韧性”复合失效行为。 进一步，针对基体预处理对涂层性能的影响进行了讨论。分别在未处理、超声喷丸处理、渗氮处理的1Cr11Ni2W2MoV不锈钢和未处理、超声喷丸处理的Ti-6Al-4V钛合金基体上沉积Ti/TiN/TiAlN梯度多层涂层，并分别对膜基结合力、抗冲蚀性能以及抗裂纹性能等进行测试。结果表明:基体材料对于涂层的膜基结合力和抗冲蚀性能有显著影响，基体材料与涂层之间良好的匹配性能够大幅提升其膜基结合力和抗冲蚀性能;相同基体经过不同预处理后，对于涂层的硬度、承载能力和抗裂纹性能有显著有影响，从而作用于涂层抗冲蚀性能的变化。
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