本發(fā)明屬于油田采油領域，涉及抽油機光桿防腐涂層，特別涉及一種防腐耐磨ticn復合涂層及其噴涂方法及防腐耐磨抽油機光桿。
背景技術：
：隨著油田二次采油開采的不斷深入，大多油井進入高含水期，抽油機井普遍出現(xiàn)了光桿的腐蝕磨損問題，造成光桿偏磨、盤根密封不嚴、井口盤根滲漏及膠皮盤根磨損等一系列問題，影響了油井正常的清潔生產(chǎn)。為了確保油區(qū)生產(chǎn)不污染周邊環(huán)境以及不增加工人的工作量，因此急需解決抽油機光桿的腐蝕磨損問題，提出并采取相應有效的防治和減緩腐蝕磨損速度的措施。當前，抽油機光桿表面普遍采用電鍍鉻技術來處理，電鍍鉻是一種傳統(tǒng)的表面電鍍技術，已經(jīng)應用近百年。然而，抽油機光桿長期在腐蝕、磨損的工況下工作，由于采油工藝和油質(zhì)的變化，與光桿接觸的油液、水液中含有h2s、o2等強腐蝕性介質(zhì)，傳統(tǒng)鍍鉻層無法滿足光桿表面的防腐要求，同時由于光桿長期與密封井口的盤根接觸摩擦，腐蝕產(chǎn)生的麻點和油液和水液中的沙粒將會加速盤根和光桿的磨損，最終光桿因腐蝕和磨損而失效。電鍍硬鉻過程中產(chǎn)生的cr6+會導致嚴重的環(huán)境污染問題。鍍鉻使用鉻酸溶液，在鍍鉻過程中會產(chǎn)生大量的氫氣，氫氣泡破裂產(chǎn)生的酸霧中含有致癌的cr6+；另外鍍鉻會產(chǎn)生大量的有毒廢物和含有cr6+的廢水。因此，各國對鍍鉻工藝的管制越來越嚴格。為了避免cr6+對環(huán)境的污染，人們一直努力尋找能替代電鍍硬鉻的涂層工藝。已開發(fā)出多種涂層技術，包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、激光涂層技術、熱噴涂技術等。然而，由于pvd、cvd等膜技術在真空中實現(xiàn)，部分形狀復雜和較大的零件，加上成本高，限制了這些技術的應用。而熱噴涂技術靈活、方便、零件無需重新設計，是替代鍍鉻層最有競爭力的技術。但目前開發(fā)的替代涂層多以超音速火焰噴涂wc-co或wc-co-cr為主，在國內(nèi)推廣應用遇到了較大的阻礙，其主要原因仍是成本問題。因此，亟需一種環(huán)保、成本低、噴涂技術便捷且具有強韌性及強度的噴涂涂層及其噴涂方法，延長抽油機光桿和盤根的整體壽命，降低抽油機的能耗，替代傳統(tǒng)的代鍍鉻層來防止抽油機光桿表面的腐蝕及磨損問題。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種不僅能夠延長抽油機光桿使用壽命，且能夠降低抽油機能耗，有效解決抽油機光桿表面的腐蝕及磨損問題的抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層。本發(fā)明的目的還在于提供一種噴涂過程中工藝參數(shù)可控、有效防止氧化物的干擾，確保噴涂效果的抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層噴涂方法。本發(fā)明的目的還在于提供一種耐磨性能、耐腐蝕性能高，能夠延長抽油機光桿使用壽命的防腐耐磨抽油機光桿。本發(fā)明解決其技術問題是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層，其特征在于：所述ticn復合涂層由crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層組成，所述crmo基層的組成及其重量百分比為：cr40～45％mo55～60％所述nial粘結層的組成及其重量百分比為：ni粉90-95wt％al粉5-10wt％所述ticn涂覆層的組成及其重量百分比為：c粉20-25wt％ti粉75-80wt％。而且，所述ni粉及al粉的粒度為-140～+325目。而且，所述ti粉為timp-1鈦粉，粒度為-300目。而且，所述nial粘結層的噴涂厚度為30～50μm。而且，所述ticn涂覆層的噴涂厚度為20～30μm。抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層的噴涂方法，其特征在于：所述噴涂方法的步驟為：(1)抽油機光桿表層處理：將抽油機光桿表層用噴砂或砂紙打磨，除去鐵銹、油污，獲得潔凈、高粗糙度的抽油機光桿表層；(2)crmo基層噴涂：在預處理后的抽油機光桿表層噴涂cr、mo粉末，并加熱固化制備crmo基層；(3)nial粘結層噴涂：在crmo基層上采用反應等離子噴槍噴涂al/ni粉末，制備nial粘結層，所述nial粘結層的制備參數(shù)為：ar離子氣體流量70～90l/min，n2離子氣體流量20～60l/min，送粉氣體流量0.5m3/h，電弧功率25～30kw，電流350～500a，噴涂距離100～150mm；(4)制備ticn涂覆層復合粉：將ti粉與c粉按所述重量百分比混合后經(jīng)過300～350℃加熱后得到ticn涂覆層復合粉；(5)ticn涂覆層噴涂：采用反應等離子噴槍噴涂ticn涂覆層復合粉制備ticn涂覆層，所述ticn涂覆層的制備參數(shù)為：ar離子氣體流量50～70l/h，n2離子氣體流量50～70l/h，送粉氣體流量3～5m3/h，電弧功率25～30kw，電流350～500a，噴涂距離80～120mm。而且，所述步驟(3)(5)中的送粉氣體均為n2。一種防腐耐磨抽油機光桿，其特征在于：包括桿體及依次噴涂于桿體表面的crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層。而且，所述nial粘結層的噴涂厚度為30～50μm。而且，所述ticn涂覆層的噴涂厚度為20～30μm。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：1、本發(fā)明的抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層，crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層，crmo基層能夠保證ticn復合涂層主相單一，無氧化物的干擾，nial粘結層能夠有效加強ticn涂覆層與抽油機光桿的結合強度，保證ticn復合涂層的強度，且相比現(xiàn)有的tic或者tin復合涂層，ticn中c原子取代n原子，一方面形成高鍵能的ti-c鍵，另一方面造成了ticn的晶格畸變，這兩者共同作用使得ticn復合涂層的硬度提高，且具有較高的耐磨、耐腐蝕性能，能夠有效解決抽油機光桿的腐蝕及磨損問題，增強抽油機光桿的使用壽命。2、本發(fā)明的抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層的噴涂方法，采用反應等離子噴槍進行噴涂，等離子噴槍內(nèi)為n2，同時作為反應氣體及送粉氣體，且噴涂過程中各工藝參數(shù)可控，能夠調(diào)整獲得主相單一的ticn復合涂層，防止氧化物的干擾而影響ticn復合涂層的純度，確保噴涂效果。3、本發(fā)明的防腐耐磨抽油機光桿，nial粘結層能夠有效加強ticn涂覆層與抽油機光桿桿體的結合強度，提高抽油機光桿的硬度，且具有較高的耐磨、耐腐蝕性能，能夠有效解決抽油機光桿的腐蝕及磨損問題，增強抽油機光桿的使用壽命。4、本發(fā)明的ticn復合涂層致密均勻，具有較高的硬度及強度，且耐磨性能、耐腐蝕性能高，不僅能夠延長抽油機光桿使用壽命，且能夠降低抽油機能耗，有效解決抽油機光桿表面的腐蝕及磨損問題；本ticn復合涂層采用反應等離子噴槍進行噴涂，噴涂過程中的工藝參數(shù)可控，能夠得到主相單一的ticn復合涂層，有效防止氧化物的干擾，確保噴涂效果，具有很好的工業(yè)應用前景。附圖說明圖1a為反應等離子噴涂的ticn復合涂層表面sem圖，圖1b為機械振動噴涂的ticn復合涂層表面sem圖；圖2a中cr含量為0的ticn復合涂層表面sem圖，圖2b中cr含量為10％的ticn復合涂層表面sem圖，圖2c中cr含量為20％的ticn復合涂層表面sem圖，圖2d中cr含量為30％的ticn復合涂層表面sem圖；圖3a中mo含量為10％的ticn復合涂層表面sem圖，圖3b中mo含量為20％的ticn復合涂層表面sem圖，圖3c中mo含量為30％的ticn復合涂層表面sem圖；圖4a為ticn復合涂層截面形貌圖，圖4b為圖4a的放大圖，圖4c為ticn復合涂層的截面能譜分析圖；圖5為ticn復合涂層的xrd衍射分析；圖6a、圖6c為ticn復合涂層背面的腐蝕形貌圖，圖6b、圖6d為ticn復合涂層正面的腐蝕形貌圖；圖7為ticn復合涂層的xps譜圖；圖8為ticn復合涂層ti2p的xps譜圖；圖9a為ticn復合涂層c1s的能譜圖，圖9b為ticn復合涂層n1s的能譜圖；圖10a為ticn復合涂層的tem相圖，圖10b為圖10a的局部放大圖；圖11為ticn復合涂層的顯微硬度-載荷關系曲線圖；圖12a中載荷為100g的ticn復合涂層截面顯微壓痕形貌圖，圖12b中載荷為200g的ticn復合涂層截面顯微壓痕形貌圖，圖12c中載荷為300g的ticn復合涂層截面顯微壓痕形貌圖，圖12d中載荷為500g的ticn復合涂層截面顯微壓痕形貌圖；圖13為ticn復合涂層斷裂截面圖；圖14為不同載荷下tin及ticn復合涂層的摩擦系數(shù)曲線圖；圖15為不同載荷下tin及ticn復合涂層摩擦磨損失重曲線圖；圖16為防腐耐磨抽油機光桿的結構示意圖。1-抽油機光桿、2-ticn涂覆層、3-nial粘結層、4-crmo基層、5-桿體。具體實施方式下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。實施例一一種抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層，其創(chuàng)新之處在于：ticn復合涂層由crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層組成，crmo基層的組成及其重量百分比為：cr40gmo60gnial粘結層的組成及其重量百分比為：ni粉90gal粉10gticn涂覆層的組成及其重量百分比為：c粉20gti粉80g。ni粉及al粉的粒度為-140目。ti粉為timp-1鈦粉，粒度為-300目。nial粘結層的噴涂厚度為30μm。ticn涂覆層的噴涂厚度為20μm。抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層的噴涂方法，其創(chuàng)新之處在于：噴涂方法的步驟為：(1)抽油機光桿表層處理：將抽油機光桿用噴砂或砂紙打磨，除去鐵銹、油污，獲得潔凈、高粗糙度的抽油機光桿表層；(2)crmo基層噴涂：在預處理后的抽油機光桿表層噴涂cr、mo粉末，并加熱固化制備crmo基層；(3)nial粘結層噴涂：在crmo基層上采用反應等離子噴槍噴涂al/ni粉末，制備nial粘結層，所述nial粘結層的制備參數(shù)為：ar離子氣體流量70l/min，n2離子氣體流量20l/min，送粉氣體為n2，其流量為0.5m3/h，電弧功率25kw，電流350a，噴涂距離100mm；(4)制備ticn涂覆層復合粉：將ti粉與c粉按所述重量百分比混合后經(jīng)過300℃加熱后得到ticn涂覆層復合粉；(5)ticn涂覆層噴涂：采用反應等離子噴槍噴涂ticn涂覆層復合粉制備ticn涂覆層，所述ticn涂覆層的制備參數(shù)為：ar離子氣體流量50l/h，n2離子氣體流量50l/h，送粉氣體為n2，其流量為3m3/h，電弧功率25kw，電流350a，噴涂距離80mm。一種防腐耐磨抽油機光桿，其創(chuàng)新之處在于：包括桿體及依次噴涂于桿體表面的crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層，其中nial粘結層的噴涂厚度為30μm，ticn涂覆層的噴涂厚度為20μm。實施例二一種抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層，其創(chuàng)新之處在于：ticn復合涂層由crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層組成，crmo基層的組成及其重量百分比為：cr45gmo55gnial粘結層的組成及其重量百分比為：ni粉95gal粉5g所述ticn涂覆層的組成及其重量百分比為：c粉25gti粉75g。ni粉及al粉的粒度為325目。ti粉為timp-1鈦粉，粒度為-300目。nial粘結層的噴涂厚度為50μm。ticn涂覆層的噴涂厚度為30μm。抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層的噴涂方法，其創(chuàng)新之處在于：噴涂方法的步驟為：(1)抽油機光桿表層處理：將抽油機光桿用噴砂或砂紙打磨，除去鐵銹、油污，獲得潔凈、高粗糙度的抽油機光桿表層；(2)crmo基層噴涂：在預處理后的抽油機光桿表層噴涂cr、mo粉末，并加熱固化制備crmo基層；(3)nial粘結層噴涂：在crmo基層上采用反應等離子噴槍噴涂al/ni粉末，制備nial粘結層，所述nial粘結層的制備參數(shù)為：ar離子氣體流量90l/min，n2離子氣體流量60l/min，送粉氣體為n2，其流量為0.5m3/h，電弧功率30kw，電流500a，噴涂距離150mm；(4)制備ticn涂覆層復合粉：將ti粉與c粉按所述重量百分比混合后經(jīng)過300～350℃加熱后得到ticn涂覆層復合粉；(5)ticn涂覆層噴涂：采用反應等離子噴槍噴涂ticn涂覆層復合粉制備ticn涂覆層，所述ticn涂覆層的制備參數(shù)為：ar離子氣體流量70l/h，n2離子氣體流量70l/h，送粉氣體為n2，其流量為5m3/h，電弧功率30kw，電流500a，噴涂距離120mm。一種防腐耐磨抽油機光桿，其創(chuàng)新之處在于：包括桿體及依次噴涂于桿體表面的crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層，其中nial粘結層的噴涂厚度為50μm，ticn涂覆層的噴涂厚度為30μm。實施例三一種抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層，其創(chuàng)新之處在于：所述ticn復合涂層由crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層組成，crmo基層的組成及其重量百分比為：cr42gmo58gnial粘結層的組成及其重量百分比為：ni粉92gal粉8gticn涂覆層的組成及其重量百分比為：c粉22gti粉78g。ni粉及al粉的粒度為200目。ti粉為timp-1鈦粉，粒度為-300目。nial粘結層的噴涂厚度為40μm。ticn涂覆層的噴涂厚度為25μm。抽油機光桿防腐耐磨ticn復合涂層的噴涂方法，其特征在于：所述噴涂方法的步驟為：(1)抽油機光桿表層處理：將抽油機光桿表層用噴砂或砂紙打磨，除去鐵銹、油污，獲得潔凈、高粗糙度的抽油機光桿表層；(2)crmo基層噴涂：在預處理后的抽油機光桿表層噴涂cr、mo粉末，并加熱固化制備crmo基層；(3)nial粘結層噴涂：在crmo基層上采用反應等離子噴槍噴涂al/ni粉末，制備nial粘結層，所述nial粘結層的制備參數(shù)為：ar離子氣體流量80l/min，n2離子氣體流量40l/min，送粉氣體流量0.5m3/h，電弧功率27kw，電流400a，噴涂距離120mm；(4)制備ticn涂覆層復合粉：將ti粉與c粉按所述重量百分比混合后經(jīng)過300～350℃加熱后得到ticn涂覆層復合粉；(5)ticn涂覆層噴涂：采用反應等離子噴槍噴涂ticn涂覆層復合粉制備ticn涂覆層，所述ticn涂覆層的制備參數(shù)為：ar離子氣體流量60l/h，n2離子氣體流量60l/h，送粉氣體流量4m3/h，電弧功率27kw，電流400a，噴涂距離100mm。步驟(3)(5)中的送粉氣體均為n2。一種防腐耐磨抽油機光桿，其特征在于：包括桿體及依次噴涂于桿體表面的crmo基層、nial粘結層及ticn涂覆層。nial粘結層的噴涂厚度為40μm。ticn涂覆層的噴涂厚度為25μm。ticn復合涂層的組織結構觀察圖1(a)為反應等離子噴涂ticn復合涂層液滴表面鋪展圖，將喂料送入反應等離子流中，經(jīng)過高溫離子流加熱和加速后熔融液滴以極高的速度到達基體表面，發(fā)生鋪展和凝固冷卻。在整個噴涂的過程中，各個熔融液滴扁平化并且不斷的堆疊最終形成涂層，從圖中可以看出，液滴融化完全并且鋪展良好。圖1(b)為機械振動噴涂的ticn復合涂層表面圖?？梢钥吹酵繉颖砻娣植贾螤畈灰?guī)則的黑色物質(zhì)，由于涂層是經(jīng)微波震蕩處理過的，表面的鋪展情況不如等離子噴涂的效果好。圖2(a)為不含cr的ticn復合涂層sem圖，圖2(b)為cr含量為10％的ticn復合涂層sem圖，圖2(c)為cr含量為20％的ticn復合涂層sem圖，圖2(d)為cr含量為30％的ticn復合涂層sem圖。從圖2(a)中可以看出涂層表面存在孔洞和少量裂紋，圖2(b)中白色區(qū)域為cr相，灰色區(qū)域為ticn相，孔洞處氧含量較高，說明孔洞處主要為氧化。隨著cr含量的增多，圖層中白色區(qū)域面積越來越大。對比得知，四個不同cr含量的涂層均存在裂紋和孔隙，因為涂層在熔化凝固過程中體積收縮，層與層之間存在較大的應力，而ticn本身硬度很高，脆性大，在制備過程中部分剝落形成孔洞。圖3為不同mo含量ticn基復合涂層sem圖。從圖3可以看出，實際噴涂得到的涂層在厚度方向上有明顯的微觀組織和成分不均勻現(xiàn)象，從3組不同的mo含量的sem圖片對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著mo含量的增多，白色區(qū)域面積逐漸增加，而這些白色區(qū)域主要是mo的碳化物和mo單質(zhì)，同時也伴隨著涂層孔隙率的有所增加。圖4為涂層的截面sem形貌圖及能譜分析圖。從圖中可以明顯觀察到，采用反應等離子噴涂所制得的ticn復合涂層的組織致密，噴涂各層之間結合較為緊密，沒有明顯的分層，涂層為典型的波浪狀多層組織。從圖4(a)中可以明顯分辨出基體相、nial粘結層和涂層相。nial粘結層的厚度約為0.1mm左右，涂層的厚度在0.4-0.5mm之間。從圖4(b)中可以看出，涂層和nial粘結層之間結合良好，涂層的截面致密，在其表面分布著黑色顆粒，該黑色顆粒為c。圖4(c)為截面能譜分析圖，由此可知，涂層中的c/n比值約為2.45，與tic0.7n0.3中的c/n原子比基本相同。另外，涂層中分布著o元素，由于制備的喂料ti顆粒被緊密包覆在核心，很少一部分ti在反應過程中被噴涂產(chǎn)生余熱而被氧化。ticn復合涂層的相組成分析(xrd)對ticn復合涂層進行xrd分析。圖5是ticn復合涂層的xrd圖譜。從圖中可以看出，涂層的主相為tic0.7n0.3，分別對應(111)、(200)、(220)、(311)和(222)五個晶體學方向，而且在(111)、(200)兩個晶面呈現(xiàn)出強烈的取向，并且xrd衍射峰都有展寬的趨勢，說明其中可能存在納米晶粒。涂層中有少量氧化物存在，氧化物相為ti3o，并沒有發(fā)現(xiàn)ti的存在，說明制備的喂料反應完全，氧化物的存在可能是因為在噴涂過程中涂層被氧化所致。另外由于制備的喂料石墨層將ti顆粒緊緊包覆，基本隔絕了ti與空氣中氧氣的反應。所以涂層中的氧化物含量低。ticn復合涂層的晶粒形貌分析在噴涂過程中，由于首先接觸到基體的液滴處于快冷狀態(tài)，在涂層厚度達到0.4mm左右時基體溫度已經(jīng)升高，液滴接觸到基體時冷卻速度要小于一開始的冷卻速度，對ticn復合涂層的表面和背面進行了腐蝕以研究晶粒的生長，如圖6所示。圖6(a)和圖6(b)分別為涂層背面和表面的腐蝕形貌圖，從圖6中可以明顯觀察到背面的晶粒為等軸晶，表面的晶粒已經(jīng)長成樹枝晶。圖6(c)、圖6(d)分別為圖6(a)和圖6(b)的放大圖。背面的等軸晶顆粒細小，表層的等軸晶之間相互連接長大，剛開始噴涂時液滴接觸到冷的基體冷卻速度快，晶粒來不及長大，因此形成的是等軸晶。在后續(xù)的噴涂過程中，基體的溫度升高，液滴的冷卻速度降低，晶粒和晶粒之間相互相互連接長大，因此長成樹枝晶。樹枝晶之間相互交錯，在磨損過程中可以形成阻力，防止晶粒被拽出。ticn復合涂層的xps分析ticn、tin、tic都為面心立方結構，因此在xrd譜上存在相似的結果，只通過xrd分析并不能完全確定ticn的存在，所以需要通過x射線光電子譜(xps)對涂層進行更深一步的分析，以通過測得涂層中各元素的結合能來準確地確定涂層的成分。圖7為制備涂層表面全掃描xps譜圖，從xps結合能譜線中可以看出，涂層表面元素為ti、c、n、o，ar為經(jīng)ar+離子刻蝕后殘留的元素。為了進一步確定涂層成分，對各元素進行窄掃描。圖8為ti2p的光電子譜圖，從圖中可以看出ti2p的光電子峰由一對自旋軌道ti2p3/2和ti2p1/2峰組成，兩個峰的結合能分別為454.82ev和460.84ev，峰間距為6.02ev；圖中ti-n2p3/2與ti-n2p1/2的結合能分別為455.04ev與460.64ev；而454.65ev和460.48ev則分別對應著ti-c2p3/2與ti-c2p1/2結合能。tic與tin的結合能在ti2p譜圖上非常接近，為了明確物質(zhì)的組成，需要進一步分析ticn復合涂層的c1s與n1s譜。如圖9所示，分別對c1s、n1s光電子譜分峰擬和。從圖9(a)可以看出，c1s擬合出三個光電子峰位，其軌道電子結合能分別對應于281.32ev(p1)、284.38ev(p2)、285.16ev(p3)；圖9(b)n1s擬和譜中出2個峰位，其結合能分別為397.3ev(p1)、399.3ev(p2)。c1s(p1)峰和n1s(p1)峰相對其他峰較高，兩個峰的結合能分別對應著ti-c、ti-n的結合能，兩個峰值最高，峰面積最大，峰面積的大小代表了元素處于該化合價下的含量，因此涂層中ti-c、ti-n的含量較高。ticn復合涂層的tem分析圖10所示為ticn復合涂層的透射分析圖。從圖10(a)明顯觀察到ticn主要以等軸晶的形式存在并且涂層的為納米晶，晶粒直徑在60～100nm之間，從圖中還可以明顯觀察到ticn晶粒分布在大塊的白色區(qū)域上，另外取圖10(a)中的a區(qū)域進行高分辨分析，見圖10(b)。經(jīng)高分辨分析可以看出白色區(qū)域為雜亂無序的排列，呈現(xiàn)典型的非晶形貌特征，黑色斑點呈現(xiàn)微晶條紋，經(jīng)過分析可知微晶的晶面間距為0.21nm，與tic0.7n0.3的(200)面基本相符(d(200)＝0.214nm)。在噴涂的過程中，喂料等離子焰流內(nèi)融化、反應，到達基體上迅速冷卻凝固，導致了部分晶粒來不及形核因此形成了納米晶。另外從圖10(b)圖中還可以觀察到微晶相與非晶沒有明顯的邊界，推斷ticn晶粒是從非晶中形核長大的。ticn復合涂層的力學性能分析一般噴涂的陶瓷涂層只有幾百微米的厚度，而且存在一定量的孔隙，所以它不可能像整體材料那樣承受較大的載荷，它的力學性能要比實體材料低的多。顯然，涂層的主要作用是賦予結構材料以某種附加功能，而不能替代結構材料。涂層的力學性能，對于涂層的某些應用領域，如摩擦磨損，抗沖蝕等，則是十分重要的。1)涂層顯微硬度分析實驗測量了不同載荷下(100g、200g、300g、500g、1000g)涂層的硬度，具體數(shù)據(jù)見表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出，涂層具有高的硬度1674hv0.1，在載荷為1000g時仍能保持較高硬度1284hv1，相對于同屬于面心立方結構的tin涂層1311hv0.1其硬度顯著提高，這是因為ticn中c原子取代n原子，一方面形成高鍵能的ti-c鍵，另一方面造成了ticn的晶格畸變，這兩者共同作用使得涂層的顯微硬度提高。表1不同載荷下ticn復合涂層截面顯微硬度載荷100g200g300g500g1000g硬度(hv0.2)16741520141713641284根據(jù)實驗結果繪制如圖11所示的顯微硬度與載荷關系曲線圖。從圖中可以明顯看出ticn復合涂層截面硬度隨著載荷的增大呈下降趨勢，即呈現(xiàn)明顯的壓痕尺寸效應。并且折線的斜率隨著載荷的增大逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，壓痕尺寸效應減弱，涂層的硬度值越趨近與真實硬度。產(chǎn)生壓痕尺寸效應的主要原因是載荷功的額外消耗，從能量平衡的角度對壓痕尺寸效應做出了新解釋，在壓痕過程中，由于材料內(nèi)部裂紋的萌生和擴展、晶界的遷移以及試件表面和壓頭之間的摩擦等因素造成了能量的額外消耗。壓痕的內(nèi)部出現(xiàn)了微裂紋，壓痕的尖角部位與涂層之間也發(fā)生了微開裂的現(xiàn)象，這些因素都導致了能量的消耗。2)顯微壓痕形貌的分析顯微壓痕的的形貌可以在一定程度上反映出材料的韌性。圖12分別是不同載荷(100g，200g，300g，500g)下ticn復合涂層截面顯微壓痕的掃描圖。由圖12(a)可以看出100g時候的顯微壓痕較小，且規(guī)則平整，沒有顯微裂紋的出現(xiàn)，隨著載荷進一步的增大，圖12(b)(200g)、圖12(c)(300g)的顯微壓痕相應的增大，幾乎沒有出現(xiàn)顯微裂紋，只是涂層發(fā)生了一定程度的塑性變形，即ticn復合涂層可以承受一定的載荷而不發(fā)生脆性斷裂。圖12(d)中當載荷增大至500g時，d壓痕尖角及其邊緣出現(xiàn)了開裂及壓碎的現(xiàn)象，并且壓痕內(nèi)部也出現(xiàn)了一定數(shù)量的顯微裂紋，涂層被破壞，發(fā)生了脆性斷裂。根據(jù)hall-petch模型總結出的經(jīng)驗公式：σy＝σ0+kd-1/2可以知道晶粒越細小，即d值越小，材料的屈服強度σy越高。這是因為晶粒細小導致晶界面積增大，從而裂紋要擴展所需要的能量也就增高。因此與粗晶相比，ticn復合涂層晶粒為納米晶，其韌性和強度在一定程度上得到改善與提高，脆斷傾向小。3)結合強度實驗采用拉伸實驗的方法測量ticn復合涂層與基體的結合強度。其拉伸結果如圖13所示。在影響ticn復合涂層結合強度的眾多因素中，殘余應力是最主要原因之一。殘余應力的存在削弱了涂層與基體之間的結合強度，在使用過程中容易開裂脫落，降低涂層的使用壽命。一般認為，在噴涂過程中由于被高溫等離子焰流加熱融化的喂料熔滴到達基體時與基體的溫差過大，造成涂層中殘余應力的形成；另外熔滴在冷卻過程中各層之間的溫差不同以及涂層與基體的熱膨脹系數(shù)有所差異所產(chǎn)生的，這也是涂層中殘余應力的來源之一。影響涂層結合強度的另一個因素是由于涂層內(nèi)部的位錯、空位以及雜質(zhì)等非熱力因產(chǎn)生的內(nèi)應力，又稱為本征應力。從圖13中可以明顯看出，涂層斷裂方式為ticn涂覆層和nial粘結層之間斷裂，斷裂過程中殘余應力和本征應力同時涂層的斷裂起到了作用。經(jīng)過測量可知：ticn涂覆層和桿體之間有較高的結合強度，為26.7mpa.4)摩擦磨損性能分析①磨損載荷與摩擦系數(shù)關系潤滑的目的是為了減小磨損量以及降低摩擦系數(shù)固體自潤滑涂層往往具有較低的摩擦系數(shù)，在工程應用中顯示出了巨大的優(yōu)越性。tin具有優(yōu)異的耐磨性能，為了研究ticn的耐磨性，實驗以相同噴涂工藝下的tin涂層做對比。圖14為兩種涂層在不同承重載荷下摩擦系數(shù)曲線圖。從圖中可以明顯觀察到，隨著載荷的增加，涂層的摩擦系數(shù)呈下降趨勢，ticn復合涂層的摩擦系數(shù)由0.4233(100n)降低到0.2767(1000n)，tin涂層的摩擦系數(shù)由0.6791(100n)降低到0.3509(1000n)。在干摩擦磨損過程中,摩擦系數(shù)隨加載載荷的增加而降低負,這是因為負載增加導致了磨損表面的溫度升高，摩擦副表面的硬度降低；另外由于載荷增加，摩擦副表面的塑性變形加劇，這些因素共同導致了摩擦副表面粗糙度降低，從而導致摩擦系數(shù)下降；另外從圖中可以看出ticn復合涂層的摩擦系數(shù)始終都比較低并且明顯低于tin涂層摩擦系數(shù)。這是因為等離子方法制備的ticn復合涂層中存在較多的游離石墨相，石墨具有非常低的剪切強度，在摩擦過程中受到摩擦副的正壓力和剪切力的作用，極易形成轉移膜，轉移到對磨環(huán)上形成潤滑膜，從而降低了摩擦系數(shù)；較低的摩擦系數(shù)可以使涂層在使用過程中的具有較小的啟動力矩以及良好的減磨性能。②磨損載荷與失重量關系磨損是指物體工作表面的物質(zhì)由于表面相對運動而不斷損失的現(xiàn)象。任何光滑的表面從微觀來看都是凹凸不平的，由許多波峰和波谷組成。在摩擦磨損過程中，在微觀上摩擦副與涂層的波峰接觸，接觸點由彈性變形到塑性變形，另外摩擦過程中產(chǎn)生的大量的熱，致使波峰與對磨環(huán)之間發(fā)生焊連，隨著對磨環(huán)的轉動，接觸點脫離涂層面，造成了涂層的磨損。圖15為ticn復合涂層和tin涂層在不同載荷下失重曲線圖，從圖中可以明顯看出，隨著施加載荷的增加，磨損量增大；另外ticn復合涂層的磨損量要明顯低于tin的磨損量，這是因為tin的硬度低于ticn，在磨損過程中發(fā)生粘著磨損嚴重，施加載荷的增加增大了粘著磨損的發(fā)生，使得涂層破壞嚴重；ticn復合涂層本身硬度高，耐磨性好，而且在涂層中存在著潤滑相—石墨，ticn在磨損過程中還可能發(fā)生分解，析出新的石墨相，這都大大提高了涂層的耐磨性。由圖中可知，施加載荷小于500n時，ticn復合涂層的磨損量很小，并且隨著載荷的增加磨損量增加趨勢不明顯，小于0.001g，然而tin涂層在100n的載荷下磨損量為0.0025g，大大高于ticn復合涂層的磨損量，并且隨著載荷的增加，涂層磨損量增加的趨勢要比ticn的高出很多；施加載荷大于500n時，兩種涂層失重曲線的斜率大幅增高，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為磨損機制發(fā)生了變化，載荷小于500n時，為涂層的輕微磨損區(qū)，載荷大于500n時涂層發(fā)生嚴重磨損。在輕微磨損區(qū)時，涂層的磨損機理主要為塑性變形、犁耕、微切削和微斷裂磨損，隨著載荷的增大ticn復合涂層塑性變形能力差，涂層表面變形加劇，涂層內(nèi)部微裂紋形成并擴展，當載荷大于500n時，微裂紋的密度達到足夠高并結合在一起形成大裂紋，導致涂層發(fā)生斷裂；另外由于載荷的不斷增加，造成ticn摩擦表面積聚了大量的熱，陶瓷本身韌性低、導熱性差，因此在熱作用下產(chǎn)生裂紋，造成涂層的破壞。當載荷大于700n時，失重量減緩，這可能是因為在摩擦磨損過程中，磨屑由于熱作用在摩擦表面形成了ticn磨屑吸附層，使摩擦發(fā)生在磨屑吸附層和ticn之間，因此摩擦系數(shù)降低。另外在高載荷下涂層表面積聚了高的熱量，涂層形成的氧化膜也會降低摩擦系數(shù)。由上述分析得：①涂層為納米晶涂層，因此具有優(yōu)異的力學性能。ticn復合涂層表現(xiàn)出高的硬度，為1674hv0.1。②采用拉伸的方法測定了涂層的結合強度，涂層斷裂方式為ticn復合涂層和nial粘結層之間斷裂，涂層具有和基體之間有較高的結合強度，為26.7mpa。③在相同的磨損條件下，ticn復合涂層的耐磨性明顯高于tin涂層，耐磨性能優(yōu)異，分析失效機理認為：在低載荷(<500n)的情況下涂層的磨損機理主要為微切削，犁耕和微斷裂，當載荷較高時磨損機理變?yōu)閿嗔涯p，通過線掃描分析可以看出在磨損過程中同時發(fā)生著粘著磨損。6)腐蝕試驗結果用模擬海水溶液浸泡表面積相同的鍍鉻層試樣和ticn復合涂層試樣，10天之后稱重，采用失重法計算腐蝕速度。表2為腐蝕性試驗原始數(shù)據(jù)，從表中可以看出鍍鉻層試樣腐蝕速度約為ticn復合涂層腐蝕速度的3倍，說明，ticn復合涂層的試樣比鍍鉻層試樣具有更強的耐腐蝕性能。表2腐蝕性試驗失重量對比數(shù)據(jù)盡管為說明目的公開了本發(fā)明的實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本發(fā)明的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內(nèi)容。當前第1頁12