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真空 ›› 2022, Vol. 59 ›› Issue (3): 29-34.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2022.03.07

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调制结构对Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜性能的影响*

谌曲平1, 林松盛2, 刘灵云2, 郭朝乾2, 石倩2, 汪云程1, 吕亮1, 刘若愚1, 易出山1   

  1. 1.中国航发南方工业有限公司,湖南 株洲 412000;
    2.广东省科学院新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东 广州 510650
  • 收稿日期:2021-11-11 出版日期:2022-05-25 发布日期:2022-06-01
  • 通讯作者: 林松盛,教授级高工。
  • 作者简介:谌曲平(1973-),男,湖南省岳阳市人,高级工程师。
  • 基金资助:
    *广东省特支计划团队项目(2019BT02C629); 广州市产学研协同创新重大专项“燃气轮机关键零部件表面处理及维修”; 广东省科学院科技计划项目(2021GDASYL-202110302005)

Effect of Modulation Structure on Properties of Cr-CrN-Cr-CrAlN Multilayer Films

CHEN Qu-ping1, LIN Song-sheng2, LIU Ling-yun2, GUO Chao-qian2, SHI Qian2, WANG Yun-cheng1, LÜ Liang1, LIU Ruo-yu1, YI Chu-shan1   

  1. 1. Aecc South Industry Company Limited, Zhuzhou, 412000, China;
    2. Institute of New Materials, Guangdong Academy of Sciences, National Engineering Laboratory of Modern Materials Surface Engineering Technology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Surface Engineering Technology, Guangzhou 510651, China
  • Received:2021-11-11 Online:2022-05-25 Published:2022-06-01

摘要: 为提高钛合金的服役性能,采用真空阴极电弧离子镀技术,在TC4钛合金上制备不同RCr-CrN:RCr-CrAlN调制比的多层膜。使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、划痕仪、应力测试仪和砂粒冲蚀试验仪检测并分析了多层膜的截面形貌、结构、厚度、硬度、结合力、残余应力和抗砂粒冲蚀性能等。重点研究了RCr-CrN:RCr-CrAlN调制比对多层膜性能的影响。结果表明:所制备的多层膜厚度均在7~8μm,过渡层约1.5μm厚,单一周期厚度在150~200nm;膜层均呈现(200)择优生长面心立方结构;随着Cr-CrAlN层占比的增加,膜层的硬度、残余应力和膜基结合力均相应地上升;在90°攻角下不同调制比的多层膜未完全破损前,其抗砂粒冲蚀能力是TC4基材的3倍以上,而在30°攻角下多层膜的抗砂粒冲蚀能力则约为TC4基材的8倍;RCr-CrN:RCr-CrAlN调制比为1∶2时所制备的多层膜具有最佳的综合性能。

关键词: 调制比, 多层膜, 抗砂粒冲蚀性能, 电弧离子镀, 钛合金

Abstract: In order to improve the service performance of titanium alloy, multilayer films with different RCr-CrN:RCr-CrAlN modulation ratio were prepared on TC4 titanium alloy by vacuum cathodic arc ion plating. Scanning electron microscope(SEM), X-ray diffraction (XRD), microhardness tester, scratch tester, stress tester and sand erosion tester were used to detect and analyze the cross-section morphology, structure, thickness, hardness, adhesion, residual stress and sand erosion resistance of the multilayer films. The results show that the thickness of multilayer films is 7-8μm, the transition layer is about 1.5 μm, and the thickness of single cycle is 150-200nm. All the multilayer films exhibit (200) preferred growth face centered cubic structure. With the increase of the proportion of Cr-CrAlN layer, the hardness, residual stress and adhesion of the film increase accordingly. The sand erosion resistance of multilayer films with different modulation ratios at 90° angle of attack is more than 3 times that of TC4 substrate before they are completely damaged, and at 30° angle of attack, the sand erosion resistance of multilayer films is about 8 times that of TC4 substrate. When the modulation ratio of RCr-CrN:RCr-CrAlN is 1∶2, the multilayer films have the best comprehensive properties.

Key words: modulation ratio, multilayer film, sand erosion resistance, arc ion plating, titanium alloy

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