[发明专利]一种梯度涂层材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种梯度涂层材料、其制备方法及应用，涉及涂层材料技术领域。梯度涂层材料包括依次沉积在硬质合金基底上的粘接层、中间过渡层和顶部耐磨层，中间过渡层和顶部耐磨层中均含有Ti、N和掺杂元素，掺杂元素为硅或硅铝混合物以及为达到特定功能也可额外添加其他功能性元素，在中间过渡层中掺杂元素的含量从底部至顶部逐渐增加。可以在顶层形成类似蜂窝状的非晶a‑Si₃N₄包裹纳米TiN晶的复合结构，通过细晶强化增加涂层的硬度，而较软的非晶a‑Si₃N₄可以通过吸收裂纹的能量和偏转裂纹的方向阻延裂纹的扩展，提高涂层的韧性。可以实现高耐磨、强结合的梯度涂层制备，能满足钢轨在线铣削加工的要求。

技术领域

本发明涉及涂层材料技术领域，具体而言，涉及一种梯度涂层材料、其制备方法及应用。

背景技术

钢轨是普铁、重载、地铁、高铁等轨道交通的重要组成部分，可以为载运装备的车轮提供连续、平顺的滚动面，是保障载运装备安全营运的基础。载运装备的载荷通过车轮传递至钢轨，钢轨承受巨大的压力，特别是在高速、重载的运行条件下，轮轨之间存在高载荷、强冲击、强振动等严苛工况；钢轨的踏面经过车轮长时间连续性的反复碾压，将导致踏面产生疲劳裂纹、剥离掉块、压溃变形、波浪磨耗等病害；在弯道，车轮与钢轨的强烈挤压将导致轨距角处产生侧磨、肥边等病害，改变了正常的轮轨匹配关系，使高速载运装备行驶过程中出现震动、高噪声等问题，加速车轮、钢轨的异常磨耗，极大降低列车运行品质、钢轨服役寿命，甚至危及运营安全。

为了预防和整治钢轨病害，延长钢轨的使用寿命、改善列车运行品质，同时也为了克服换轨带来的成本高、工期长的问题，需要对钢轨进行在线修复。目前有两种方式修复病害钢轨：一种是钢轨打磨，另一种是钢轨铣磨。钢轨打磨依赖于钢轨打磨车，采用多个砂轮进行多遍、多道次的打磨，去除表面浅层的病害，修复钢轨轮廓；打磨车仅适用于处理病害较轻的钢轨，作业过程产生大量粉尘，不适用于隧道和地下施工。钢轨铣磨依赖于钢轨铣磨车，采用单边一组或两组铣刀盘(配合安装的铣刀片)对病害钢轨进行仿形铣削，可通过一次铣削去除轨面表层0.3mm～1.5mm、轨侧0.3mm～3.0mm、轨距角最大5mm的病害；铣磨车适用于消除轨面剥离、轨廓不良、钢轨波磨等严重病害，作业效率高，无火花，无粉尘，铁屑自动集尘，对环境影响小，适用范围广，是未来钢轨维护的发展方向。

铣刀片是钢轨铣磨车的关键部件，是确保铣削安全、精度和效率的核心。钢轨铣磨车的铣刀片以硬质合金作为基底，并在基底表面沉积一层几微米厚的硬质涂层以增加刀片的耐磨性、提高刀片的使用寿命。目前，钢轨铣磨车铣刀片所用的涂层主要为成分均匀、结构单一的TiAlN涂层，且铝含量为低铝(原子比为Ti：Al＝7:3)或中铝(原子比为Ti：Al＝5:5)，基于物理气相沉积(PVD)技术制备于刀片基底上，整个膜层沿厚度方向呈现为柱状晶结构。钢轨铣削面临动态移动、强振动等严苛工况，柱状晶结构的涂层在铣削过程的冲击载荷作用下易产生裂纹，动态铣削过程促进了裂纹扩展并连接成网状，造成涂层成块剥落，使刀片过早失效；我国铁路上广泛使用的钢轨材料是U71Mn和U75V，其组织中含有较多的珠光体，弥散度较高，使其具有较高的硬度、韧性、塑性和疲劳性能，在铣刀片高速、干式、大进刀量的铣削工况下，钢轨材料的塑性变形将产生大量的热，使刀片刃口表面温度升高，高温加剧了涂层的氧化和磨损。综上现有涂层在使用过程中表现出韧性不足、抗氧化性和耐磨性差，主要失效方式是涂层表面网状开裂剥落、崩刃和氧化磨损。