超细晶齿面梯度涂层工艺及齿轮性能研究

In our project, academic thought of gear surface modification by compounding ultrafine grain and gradient coatings is puts forward firstly, and a new kind of gears with ultrafine grain and gradient coatings is prepared by complex of electron beam and vapor deposition technology.Centering on the formation of ultra fine grain, methods to control residual stress, improving the interficial bonding strehth and gear performance and other issues, we carry out the mainly following rersearches:The formation mechanism of the ultrafine grain is discussed by analyzing structure of ultrafine grained gear with gradient coating. Residual stress variation of ultrafine grained and gradient coatings deposited gears prepared by dirfferent process is studied and method to control residual stress is developed.The relation between interface topography, structue and bongding strenth is dicussed, additional diffusion and distrubation of interficial elements with electron beam re-irradiation on gradient coating is studied ,also mechanism and process of improving the interface bonding strength is brought out.Bending fatigue strength and contact fatigue strength of gears prepared for the different process is studied by experiment, and the effects of microstructure, hardness gradient, residual stress and other factors on the behavior and failure mechanism of gears is dicussed, furthermore the strenth design criteria of this type of gears is proposed.The new theories and new technology from the research results of the subject could provide a theoretical and experimental research base for the development and application of this new type of gear.

本项目提出齿面超细晶改性与表面梯度涂层复合提高齿轮综合性能的学术思想，旨在通过电子束照射和气相沉积工艺技术相结合获得新型的超细晶齿面梯度涂层齿轮。围绕如何形成超细晶组织、控制残余应力、提高界面结合力、改善齿轮综合性能等问题，重点开展以下研究：分析超细晶梯度涂层齿轮的组织、结构特征，研究齿面超细晶组织的形成机理；研究不同工艺的齿轮残余应力变化规律，提出控制残余应力的工艺技术；研究齿轮界面形貌、结构等与结合力的关系，分析电子束对梯度涂层再照射作用下的界面元素扩散及分布特征，提出改善界面结合力的机理及工艺路径；针对不同工艺参数制备的齿轮，开展弯曲疲劳强度、接触疲劳强度等实验研究，分析组织结构、硬度梯度、残余应力等因素对齿轮失效行为及性能的影响，提出超细晶齿面梯度涂层齿轮的强度设计准则。本研究形成的新理论和新工艺将为这种新型齿轮的发展和应用提供科学依据。

齿轮材料40Cr和20CrMo采用电子束处理获得由马氏体和残余奥氏体相组成电子束改性结构超细晶重熔层结构和电子束影响层，随着电子束输入能量增加表面超细晶重熔层厚度增加，能够有效提高表面硬度并形成具有一定层深的硬化层，但表面形成残余拉应力状态。采用电子束技术针对Cr、Ti涂层进行照射时在较低的能量下能够确保膜层完整并与基体金属形成元素扩散乃至合金化效果，涂层与基体结构变为熔化层/扩散层/基体结构，促进界面结合从物理结合转变为冶金结合，提高了结合力。超细晶重熔层的残余拉应力可以通过电子束+喷丸的复合处理转变为残余压应力，也可以通过物理气相沉积Cr/CrN涂层和TiAlN涂层工艺有效降低。Cr/CrN涂层和TiAlN涂层通过电子束作用，能够促进涂层与基体的元素扩散并形成一定的合金化效果，改善硬质涂层与基体的结合力。加速电压的增加，表面依次产生局部熔融、整体熔融以及涂层剥落的特征，涂层厚度减薄并产生和基体重熔合金化的过程；Cr/CrN涂层在电子束作用下，随着电子束能量的变化，其界面特征以及元素扩散规律呈现出三种特征，需要控制电子束照射次数和电压获得改善涂层性能的效果。超细晶与TiAlN和Cr/CrN结构，能够改善表面涂层与基体的结合，提高表面硬度，超细晶Cr/CrN涂层和TiAlN的磨损机制为磨粒磨损与粘着磨损混合机制，其磨损量、摩擦系数更低耐磨性更好。超细晶梯度Cr/CrN涂层的接触疲劳失效为浅层剥落，疲劳裂纹在超细晶与基体的过渡区域产生。相比于调质40Cr状态，在P=0.99时电子束和超细晶梯度Cr/CrN涂层的接触疲劳强度分别增加6.25%和17.73%，超细晶梯度Cr/CrN涂层的接触疲劳强度为579.03Mpa；R=0.99时，超细晶梯度Cr/CrN涂层齿轮的弯曲疲劳极限为332.83 MPa，单一电子束处理后的弯曲疲劳极限为248.81MPa，相比于未处理状态分别提高了33.77%，22.67%。超细晶提高表面硬度，能对Cr/CrN涂层提供良好支撑，Cr/CrN涂层进一步提高表面硬度，降低超细晶的残余拉应力，抑制疲劳裂纹的产生，有效的提高了接触疲劳性能和弯曲疲劳性能。