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1Cr10Co3MoWVNbNB耐热钢表面CrN/ZrN涂层的制备与表征

作　者: 王健楠
导　师: 赵成志
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 磁控溅射 1Cr10Co3MoWVNbNB耐热钢 CrN/ZrN涂层摩擦磨损
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为了提高超超临界汽轮机叶片的使用性能，延长其使用寿命，利用射频磁控溅射技术在叶片用1Cr10Co3MoWVNbNB耐热钢表面制备了CrN/ZrN涂层。采用扫描电子显微镜和原子力显微镜对CrN/ZrN涂层的表面形貌和粗糙度进行了观察和分析，并通过能谱仪对涂层成分进行测定，使用X射线衍射仪分析了涂层的相组成，用纳米压痕技术和维氏显微硬度计测试了涂层的纳米硬度、弹性模量和显微硬度，又通过划痕实验、摩擦磨损实验和电化学实验研究了CrN/ZrN涂层的膜基结合力、耐磨性及耐腐蚀性能，着重分析了磁控溅射工艺参数对涂层结构和性能的影响，并对基体等离子渗氮处理后再磁控溅射CrN/ZrN涂层进行了探索性研究。研究结果表明：采用优化后的磁控溅射工艺参数可以获得综合性能较好的CrN/ZrN涂层，涂层表面均匀、致密、缺陷较少，呈晶态结构，主要由CrN、ZrN以及一定量的纯Cr、Zr相构成。工艺参数对涂层结构和性能的影响比较复杂，较高的溅射功率有助于提高涂层的硬度、弹性模量和膜基结合力，偏压值取100V较为合适，过高或过低的偏压对涂层性能都是不利的，在N2流量4sccm，Ar流量16sccm时涂层综合性能较好，升高基体温度能促进原子扩散从而获得更加致密的涂层，进一步增强了涂层的耐蚀性，但是涂层的耐磨性有一定程度的降低。在优化工艺下可以获得硬度19GPa、弹性模量260GPa、膜基结合力52N、摩擦系数0.2、自腐蚀电流比基体低一个数量级，比基体更耐磨和耐腐蚀的CrN/ZrN涂层。对基体等离子渗氮后磁控溅射涂层，涂层的硬度和弹性模量得到大幅度提高，分别可以达到31GPa、414GPa，但是涂层结合力有所下降，存在点状缺陷，耐磨性和耐腐蚀性好于基体但与单一磁控溅射涂层相比有所降低。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-23
  1.1 引言  11
  1.2 叶片的工作环境与防护  11-17
    1.2.1 超超临界汽轮机简介  11-13
    1.2.2 叶片的工作环境  13-14
    1.2.3 叶片防护技术进展  14-17
  1.3 涂层制备技术进展  17-19
  1.4 硬质涂层简介与进展  19-22
  1.5 论文的主要研究内容  22-23
第2章实验材料与测试方法  23-33
  2.1 材料预处理  23
  2.2 CrN/ZrN 涂层设计与制备  23-29
    2.2.1 溅射镀膜原理与设备  23-25
    2.2.2 涂层设计  25-27
    2.2.3 工艺参数的选取  27
    2.2.4 CrN/ZrN 涂层的制备  27-29
  2.3 涂层结构特征测试  29-30
    2.3.1 形貌观察与成分分析  29
    2.3.2 厚度测试  29
    2.3.3 相组成分析  29
    2.3.4 表面粗糙度测试  29-30
  2.4 涂层力学性能测试  30-31
    2.4.1 硬度和弹性模量测试  30
    2.4.2 膜基结合力测试  30-31
  2.5 涂层耐磨性测试  31
  2.6 涂层耐蚀性测试  31-32
  2.7 本章小结  32-33
第3章 CrN/ZrN 涂层结构和力学性能研究  33-59
  3.1 引言  33
  3.2 溅射功率对涂层结构和力学性能的影响  33-40
    3.2.1 溅射功率对涂层结构的影响  33-37
    3.2.2 溅射功率对涂层力学性能的影响  37-40
  3.3 偏压对涂层结构和力学性能的影响  40-46
    3.3.1 偏压对涂层结构的影响  40-43
    3.3.2 偏压对涂层力学性能的影响  43-46
  3.4 N_2流量对涂层结构和力学性能的影响  46-51
    3.4.1 N_2流量对涂层结构的影响  46-49
    3.4.2 N_2流量对涂层力学性能的影响  49-51
  3.5 基体温度对涂层结构和力学性能的影响  51-56
    3.5.1 基体温度对涂层结构的影响  51-55
    3.5.2 基体温度对涂层力学性能的影响  55-56
  3.6 本章小结  56-59
第4章 CrN/ZrN 涂层耐磨性与耐蚀性研究  59-71
  4.1 引言  59-60
  4.2 CrN/ZrN 涂层耐磨性分析  60-68
    4.2.1 溅射功率对涂层耐磨性的影响  60-63
    4.2.2 偏压对涂层耐磨性的影响  63-64
    4.2.3 N_2流量对涂层耐磨性的影响  64-66
    4.2.4 基体温度对涂层耐磨性的影响  66-68
  4.3 CrN/ZrN 涂层耐蚀性分析  68-69
  4.4 本章小结  69-71
第5章等离子渗氮后磁控溅射涂层  71-81
  5.1 引言  71-72
  5.2 等离子渗氮设备与材料  72-73
  5.3 等离子渗氮工艺设计  73-74
  5.4 渗氮层相结构与性能分析  74-76
    5.4.1 温度对渗氮层相结构与性能影响  74-75
    5.4.2 氮氢比对渗氮层相结构与性能的影响  75-76
  5.5 渗氮后磁控溅射  76-79
  5.6 本章小结  79-81
结论  81-83
参考文献  83-89
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  89-91
致谢  91

1Cr10Co3MoWVNbNB耐热钢表面CrN/ZrN涂层的制备与表征

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