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汽轮机末级叶片抗水蚀氮化碳/氮化钛复合涂层制备及其相关基础研究

2020-11-29阅读(783)

汽轮机末级叶片抗水蚀氮化碳/氮化钛复合涂层制备及其相关基础研究

论文摘要

采用中频磁控溅射和多弧辅助中频磁控溅射技术在硅片、不锈钢、高速钢以及硬质合金等基体材料上制备C3N4涂层和C3N4／TiN纳米复合涂层，系统研究了C3N4涂层和C3N4／TiN纳米复合涂层的结构、物理性能、摩擦磨损、抗水蚀性能，相关基础研究成果在汽轮机末级叶片上得到了应用。主要结论如下：（1）采用中频磁控溅射技术在硅片上合成纯C3N4薄膜，X射线衍射分析表明薄膜中含有α和β两种结构的C3N4相，其中β相是C3N4薄膜的主要结晶相。光电子能谱和傅立叶红外光谱分析表明，薄膜中的C、N原子比值在1．06～1．24之间，C原子主要以sp2和sp3两种杂化状态存在，C、N原子以C-N键为主要键合方式。（2）研制了多弧-中频磁控溅射系统，在2Crl3不锈钢和高速钢基体上沉积C3N4／TiN纳米复合涂层，所制备涂层硬度超过40GPa，属于超硬涂层。AFM和SEM分析显示多弧-中频磁控溅射制备的C3N4／TiN涂层表面状况良好、涂层与金属衬底结合牢固。（3）通过对涂层的性能测试及热冲击试验和摩擦磨损性能测试，发现涂层硬度和附着力受基体材料影响。在涂层的热冲击试验中，2Crl3不锈钢基体上C3N4／TiN复合涂层抗热冲击性能良好，在400℃以下，涂层几乎没有变化。在550℃时，发现在涂层的表面出现氧化物。摩擦磨损试验发现随着载荷的增加，摩擦系数有逐步增加的倾向，同时涂层和对偶球的磨损也逐步增加。C3N4／TiN复合涂层具有良好的抗摩擦磨损性能。（4）在探讨汽轮机末级叶片水蚀失效机理的基础上，研制了水蚀试验装置并对设备的基本参数进行了测试。不锈钢基体、高铬铸铁、钴基合金的水蚀速率和水蚀破坏机理研究表明，研制的设备能对水蚀状况进行很好的模拟，设备具有操作简单、性能稳定、成本低廉等优点。（5）高铬铸铁、钴基合金和涂C3N4／TiN涂层的2Crl3不锈钢等不同材料的抗水蚀性能对比试验发现，2Crl3不锈钢基体上C3N4／TiN涂层的抗水蚀性能比2Crl3不锈钢基体提高了将近50倍，优于目前国内外广泛使用的钴基合金，比钴基合金提高了3倍。（6）2Crl3不锈钢基体上C3N4／TiN涂层的水蚀破坏形貌研究发现，当水滴撞击次数达到一定的次数后，在涂层的最表面，裂纹从应力集中区域萌生，随着水滴撞击次数的增加而扩展，最后导致最表面一定数量的涂层脆性断裂，当最表面涂层脆断剥落之后，水滴直接作用在涂层次表面上，涂层的断裂方式为逐层脆断方式。（7）上述研究成果在电厂50MW汽轮机2Crl3不锈钢末级叶片上得到了应用，C3N4／TiN复合涂层抗水蚀性能优良。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 引言
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 叶片水蚀研究进展
  • 1.1.1 水蚀机理
  • 1.1.2 抗水蚀防护技术进展
  • 1.2 氮化碳超硬涂层材料研究进展
  • 1.2.1 氮化碳材料简介
  • 1.2.2 氮化碳材料的晶体结构
  • 1.2.3 氮化碳材料的合成方法
  • 1.2.4 氮化碳材料的表征
  • 1.2.5 氮化碳材料的性能
  • 1.3 硬质涂层的研究现状
  • 1.3.1 硬质涂层简介
  • 1.3.2 纳米复合涂层研究进展
  • 1.4 本论文的研究思路和主要研究内容
  • 第二章 材料与实验方法
  • 2.1 整体研究方案
  • 2.2 基体材料
  • 2.3 涂层制备
  • 2.4 涂层力学性能测试
  • 2.4.1 涂层的硬度
  • 2.4.2 附着力的测量
  • 3N4/TiN涂层抗热冲击试验'>2.4.3 C3N4/TiN涂层抗热冲击试验
  • 3N4/TiN摩擦磨损性能试验'>2.4.4 C3N4/TiN摩擦磨损性能试验
  • 2.5 涂层水蚀试验
  • 2.6 涂层的结构分析
  • 2.6.1 涂层的形貌分析和成分分析
  • 2.6.2 涂层的物相结构分析
  • 3N4涂层'>第三章 中频磁控溅射法制备C3N4涂层
  • 3.1 中频磁控溅射简介
  • 3.1.1 磁控溅射技术发展
  • 3.1.2 中频磁控溅射技术
  • 3.2 氮化碳涂层的制备
  • 3.2.1 实验装置
  • 3.2.2 实验方法
  • 3.3 X射线衍射分析
  • 3.4 X射线光电子能谱分析
  • 3.5 傅立叶红外光谱分析
  • 3.6 原子力显微镜分析
  • 3.7 小结
  • 3N4/TIN复合涂层制备、组成及其结构'>第四章 C3N4/TIN复合涂层制备、组成及其结构
  • 3N4/TIN复合涂层设计'>4.1 C3N4/TIN复合涂层设计
  • 3N4/TIN复合涂层设备及制备'>4.2 C3N4/TIN复合涂层设备及制备
  • 4.2.1 基体材料
  • 4.2.2 涂层设备及制备
  • 3N4/TIN复合涂层的表面与界面'>4.3 C3N4/TIN复合涂层的表面与界面
  • 4.3.1 涂层表面
  • 4.3.2 涂层界面
  • 3N4/TIN复合涂层的组成及结构分析'>4.4 C3N4/TIN复合涂层的组成及结构分析
  • 3N4/TiN复合涂层的XPS分析'>4.4.1 C3N4/TiN复合涂层的XPS分析
  • 4.4.2 涂层的XRD物相分析
  • 3N4/TiN复合涂层的AFM形貌图'>4.4.3 C3N4/TiN复合涂层的AFM形貌图
  • 3N4/TiN复合涂层TEM分析'>4.4.4 C3N4/TiN复合涂层TEM分析
  • 4.5 本章小结
  • 3N4/TIN纳米复合涂层的性能分析'>第五章 C3N4/TIN纳米复合涂层的性能分析
  • 3N4/TIN纳米复合涂层性能'>5.1 C3N4/TIN纳米复合涂层性能
  • 5.1.1 涂层的附着力
  • 5.1.2 涂层的硬度
  • 3N4/TIN涂层抗热冲击试验'>5.2 C3N4/TIN涂层抗热冲击试验
  • 5.2.1 抗热冲击试验实验结果
  • 5.2.2 结果分析
  • 3N4/TIN摩擦磨损性能'>5.3 C3N4/TIN摩擦磨损性能
  • 5.3.1 摩擦磨损试验前的硬度
  • 5.3.2 摩擦磨损试验前的附着力
  • 5.3.3 摩擦曲线和磨痕表面特征
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 汽轮机末级叶片抗水蚀试验装置的研究
  • 6.1 水蚀试验装置工作原理和结构
  • 6.1.1 工作原理
  • 6.1.2 研制的水蚀试验装置结构
  • 6.1.3 高压水发生设备
  • 6.2 设备参数对水蚀试验装置实验结果的影响
  • 6.2.1 高压水射流压力对水蚀失重的影响
  • 6.2.2 靶距对水蚀失重的影响
  • 6.2.3 水蚀时间对水蚀失重的影响
  • 6.2.4 水蚀作用面积的确定
  • 6.3 水蚀试验装置测试效果评估
  • 6.3.1 2Crl3不锈钢基体
  • 6.3.2 高铬铸铁基体
  • 6.3.3 钴基合金基体
  • 6.4 本章小结
  • 3N4/TIN内米复合涂层的水蚀试验'>第七章 C3N4/TIN内米复合涂层的水蚀试验
  • 7.1 涂层硬度对抗水蚀性能的影响
  • 7.2 涂层表面状况对抗水蚀性能的影响
  • 7.3 不同材料抗水蚀性能对比研究
  • 3N4/TIN内米复合涂层的水蚀失效机理'>7.4 C3N4/TIN内米复合涂层的水蚀失效机理
  • 7.5 氮化碳纳米复合涂层在在末级叶片中的应用
  • 7.6 本章小结
  • 第八章 结论
  • 参考文献
  • 攻博期间发表的主要学术论文、科研获奖和专利
  • 致谢

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