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反应等离子喷涂纳米TiN涂层材料的研究

董艳春

   本文主要研究了用微米级的Ti粉,通过反应等离子喷涂的方法制备纳米晶的TiN涂层材料。设计了反应室并研究了制备TiN涂层的工艺;表征了涂层的物相组成,显微结构;讨论了纳米TiN涂层形成的机理;分析了涂层的力学性能、摩擦磨损性能、耐腐蚀性能和热处理对涂层组织及性能的影响。获得了一些有价值的结果。 设计制造了出四代反应室,并用带反应室的喷枪和XX-XX型喷枪喷涂微米级Ti粉成功制备了纳米晶TiN涂层,用正交实验的方法优化了制备TiN涂层的工艺参数。表征了涂层的微观结构,采用SEM、TEM、HRTEM观察及由XRD谱线计算发现: TiN涂层是由晶相和非晶相构成,晶相主要是TiN相及少量的Ti3O;晶相的亚结构是由相互平行的纳米棒构成的捆在空间随机堆垛而成,纳米棒的直径为70-100nm;涂层的晶相含有大量生长孪晶;对反应室内沉积的TiN进行TEM观察,发现有位错运动及相互作用的现象。 研究了涂层的力学性能,发现TiN涂层有较高的硬度及断裂韧性,其横截面的平均硬度为1720HV100g;纵截面的平均硬度为1260HV100g;横截面的KIC=7.065MPam1/2,纵截面的KIC=4.915MPam1/2;涂层具有明显的压痕尺寸效应;经分析压痕、摩擦表面及压痕尺寸效应发现,TiN材料受力后有明显的变形及加工硬化现象。 研究了涂层的耐磨性和耐蚀性,发现在无润滑磨损条件下,纳米TiN涂层的耐磨性能比淬火M2钢好,其摩擦系数为0.40,其主要磨损失效形式是涂层的剥落;在稀HCl、H2SO4及NaCl溶液中TiN涂层本身表现出极高的耐蚀性,带TiN涂层的钢铁材料在0.5mol/L的HCl溶液致钝电流低于18-8不锈钢,而击破电位高于不锈钢。 研究了1000℃退火处理对TiN涂层组织和性能的影响,发现退火后TiN涂层的晶粒并未长大,涂层的致密度提高,韧性改善、摩擦系数降低,体现了TiN自润滑的特性。 理论上研究了反应等离子喷涂形成纳米TiN涂层的动力学,实验发现Ti-N2燃烧合成是形成纳米晶的必要条件,而等离子喷涂及快冷是形成纳米晶的充分条件,Ti-N2燃烧合成的反应使反应产物完全熔化,而等离子喷涂使液滴瞬间在基体上激冷,从而形成非晶及纳米晶。……   
[关键词]:等离子喷涂;反应喷涂;TiN涂层;纳米涂层
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:河北工业大学2006年