Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层制备及高温摩擦学行为研究

作者：尚伦霖; 张广安; 何东青; 李文生^*

来源：表面技术, 2022, 51(11): 70-79.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.007

• Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层
• 机械性能
• 高温摩擦
• 磨损机制
• 协同效应

目的 基于表面耐高温薄膜和高承载金属陶瓷涂层性能优势协同的设计思想，制备Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层，提高硬质薄膜机械性能和不同温度下的摩擦学性能。方法 采用超音速火焰喷涂(HVOF)和电弧离子镀(AIP)技术制备Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层，通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、纳米压入仪、划痕仪和高温摩擦磨损试验机等对复合涂层的微观结构、机械性能和不同温度下的摩擦磨损行为进行系统研究。结果 Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层微观结构致密，界面结合良好，其顶层耐高温薄膜由CrAlN结合层和TiSiN-CrAlN交替多层构成，总厚度约6.7μm，低于不锈钢表面直接沉积TiSiN-CrAlN薄膜的厚度(约9.6μm)。Cr3C2-NiCr支撑层微观结构和形貌影响其表面沉积TiSiN-CrAlN薄膜的结晶性。Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层具有优异的机械性能，其纳米硬度和弹性模量分别高达(37.3±2.6)GPa和(506.1±10.6)GPa，结合力相比不锈钢表面TiSiN-CrAlN多层膜显著提高。得益于Cr3C2-NiCr支撑层的引入，复合涂层在不同温度下的摩擦因数和磨损率均比单一薄膜的低，其摩擦因数在900℃下可稳定保持在0.44左右，磨损率约为3.13×10-5 mm3/(N·m)，表现出良好的高温摩擦学性能。此外，磨损机制分析表明，500℃以下主要为磨粒磨损和黏着磨损，摩擦因数较大、不稳定，但磨损率基本不变；700℃时由于Cr3C2-NiCr层的支撑作用而无明显的疲劳磨损，氧化磨损发生；900℃时氧化磨损主导，摩擦界面生成主要成分为TiO2、Cr2O3的摩擦反应膜。结论 采用HVOF和PVD相结合的方法在不锈钢表面制备的Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层具有良好的机械性能和优异的高温摩擦学性能，可进一步改善耐高温薄膜的综合性能，具有良好的应用前景。

• 单位
  中国科学院兰州化学物理研究所; 固体润滑国家重点实验室; 兰州理工大学