基于等离子表面冶金方法制备CrN/Fe梯度涂层的优化设计及冶金机理研究

One of the development trends of modern aero-engine and marine diesel is more powerful with higher running speed, which makes the working condition of transmission parts worsened heavily. For the wear resistance coatings common used, fatiguing and peeling off due to insufficient adhesion become severe problems. In this research project, a gradient ceramic coating will be prepared on carbon steel. The coating is composed of a 3-5μm layer of CrN and 50-100μm CrN+Fe transition layer. One of the research emphases will be put on optimum design of gradient structure. The characteristic of composition gradient is described according to the diffusion equation of chromium atoms. A mathematics model for finite element calculation can be established by the combination of this equation and hypothesis of continuous medium. The section distribution of stress and strain in the coating under specific loadings can be determined by calculation. The optimized gradient structures are given out accordingly. Systemic process experiments will be carried out. Metallurgical mechanisms of the gradient coating will be illustrated according to thermodynamic simulation based first principle. Friction behaviors of the CrN/Fe gradient coating will be investigated all-round. Properties of the coating such as corrosion resistance, anti-oxidation will be also evaluated. The implement of this research project can provide some theory fundamental for the design of new anti-wear coating. It is also a promotion to the application of plasma surface metallurgy in industries of aircraft and marine engineering.

现代航空发动机和船用柴油机的发展趋势是大功率、高转速，使得传动零件的承载条件更为苛刻。针对既有耐磨涂层存在结合力不牢固、易产生疲劳剥离的缺陷，本项目拟采用等离子表面冶金技术在碳钢表面制备CrN梯度陶瓷涂层，由50~100μm的CrN+Fe梯度层和3~5μmCrN沉积层组成。重点研究涂层梯度结构优化设计，采用Cr元素原子扩散方程建立来表征涂层的成分梯度特征，结合弹塑性连续介质模型建立CrN/Fe梯度涂层有限元数学模型，分析目标载荷下的梯度涂层的应力应变分布，以获得最佳的成分梯度结构。基于第一原理热力学数值模拟计算，阐述梯度结构层形成的冶金机理。开展系统的制备工艺实验，测试分析梯度涂层的摩擦磨损特性，全面评价涂层的耐腐蚀、抗高温氧化和耐热腐蚀性能。本课题的实施将有望为重载、高速摩擦副耐磨涂层的研发提供一种新的设计思路和理论依据，对等离子表面冶金技术在航空和航海工业领域的应用具有重要的推动意义。

现代动力装置正朝着大功率、高转速方向发展，因此对传动零部件的承载要求也日渐提高。发动机中的摩擦副零件如轴、轴承、或燃油泵柱塞以及发动机传动齿轮在超高转速和大载荷作用下会发生严重的摩擦磨损行为。相对整体材料改性，涂层技术因具有较高的经济效益，且不改变材料基本力学性能等优势，逐渐成为建模耐磨领域的一项重要选择。但由于传统的等离子喷涂、PVD技术制备的减磨耐磨涂层与基体材料的晶体学结构、热物性质等方面存在较大差异，导致硬质涂层在服役过程很容易出现结合力不足，因界面应力集中出现疲劳剥落等问题，严重影响涂层服役过程中的长期可靠性与使用寿命。.本课题通过双层辉光等离子合金化技术在45钢表面制备具有梯度结构特征的CrN/Fe功能梯度涂层.在研究制备工艺过程中，选取溅射气压、靶材电压、Ar/N2流量比三个重要参数探究其对涂层组织结构及性能的影响。通过比较不同参数下涂层的扩散深度，粗糙度、残余应力等方面获得较优的涂层制备工艺。经过优化工艺，制备出的CrN/Fe功能梯度涂层表面致密、无明显的空洞和裂纹。由表及里各元素成梯度分布，厚度约为20~40µm。 通过力学性能表征，梯度涂层的硬度和弹性模量由表面向基体侧逐渐降低，梯度涂层因其内部陶瓷相/金属相复合的结构表现出较好的韧性和抗裂扩展能力。.对CrN/Fe功能梯度涂层进行不同载荷、转速以及温度等条件的摩擦磨损实验，结果表明CrN/Fe功能梯度涂层在较大载荷和较高转速下具有良好的耐摩擦磨损性能，磨痕表面形貌表明其磨损特征以氧化磨损和疲劳磨损为主，磨粒磨损的特征并不显著。良好的应力分布减少了涂层的开裂倾向，保证涂层的优异耐磨性能。.高温氧化试验中（600℃，700℃），CrN/Fe梯度涂层表现出良好的抗氧化性能，氧化后涂层与基体结合良好，未发生涂层剥落现象，氧化产物以Cr2O3为主，同时因为存在Fe的扩散，表面存在Fe的氧化物。在冲刷腐蚀及电化学腐蚀试验中，CrN/Fe梯度涂层表现出良好的耐腐蚀性能及抗固液两相冲蚀能力，涂层的腐蚀速率及冲蚀率相对基体大幅度降低。以上实验结果均对提高钢铁材料在高载荷高转速、固液侵蚀及局部温升等严苛环境下的耐摩擦磨损性能，同时有效的解决了硬质耐磨涂层因界面应力集中而出现剥落失效等问题。