钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

Ni3Al基涂层与不同材料配副时宽温域的摩擦学行为

采用等离子喷涂法制备Ni₃Al基涂层,分别以316L和Al₂O₃为摩擦偶件,考察25~800 ℃内摩擦偶件材料对涂层摩擦学行为的影响. 结果表明:在软金属Ag析出、BaF₂/CaF₂脆-塑性转变和摩擦氧化协同作用下,随温度升高Ni₃Al/316L和Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副的摩擦系数和磨损率具有一致的变化规律,且Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副性能更佳. 25 ℃时,涂层与316L对摩时发生黏着磨损和磨粒磨损,而与高硬度的Al₂O₃对摩时发生脆性剥层和磨粒磨损,使涂层表面更粗糙导致较高的摩擦系数;Al₂O₃热导率较低,高接触应力作用下产生的大量摩擦热不能及时耗散,剥落材料贮存于剥落坑或黏附于磨损表面,使Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有较低的磨损率. 200~600 ℃时,高硬度的Al₂O₃对涂层的犁削作用较强导致Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有高的摩擦系数;而涂层在Al₂O₃碾压下发生塑性变形,使其具有较低的磨损率. 800 ℃时,高硬度的Al₂O₃促使磨损表面形成高氧化物含量的润滑膜,使Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有低的摩擦系数和高的磨损率.      

MoS2-C异质复合薄膜的真空超滑行为及其机制研究

采用闭合场非平衡磁控溅射技术制备了MoS₂-C异质复合薄膜,利用多环境可控摩擦试验机测试了薄膜在真空环境中的摩擦学性能,通过拉曼光谱仪(Raman)、X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段分析了薄膜摩擦前后结构的变化,探讨了超润滑机理.结果表明：复合薄膜呈现致密的“纳米晶/非晶”结构,在真空中具有优异的摩擦学性能,保持了超低摩擦系数(0.006～0.009)和磨损率[1.026×10^-7 mm³/(N·m)],达到了超润滑状态.摩擦过程中碳选择性转移到钢球表面形成非晶碳转移层,薄膜磨痕表面形成有序的MoS₂ (002)晶面,摩擦发生在MoS₂有序晶体和非晶碳转移膜之间,形成非公度异质接触,降低摩擦系数实现超润滑.钢球/MoS₂-Ti、a-C:H/MoS₂-Ti摩擦配副在相同条件下的不同摩擦行为,也证明了上述超润滑机理.     

添加Ag2Nb4O11的NiAl基复合材料的高温摩擦学性能及高温润滑机理研究

首先采用高温固相反应法合成了由纳米球状结构紧密堆积的微米级粉体Ag₂Nb₄O₁₁,然后通过粉末冶金技术制备了添加铌酸银(Ag₂Nb₄O₁₁)的NiAl基复合材料(NABO20,NiAl-20%Ag₂Nb₄O₁₁),考察其对复合材料显微结构、力学及摩擦学性能的影响. 结果表明:热压烧结过程中,Ag₂Nb₄O₁₁发生高温分解及与C发生氧化还原反应,形成了NbC和Ag相. 铌酸银(Ag₂Nb₄O₁₁)的添加使得复合材料的密度略有增加,并且显著改善了NiAl基复合材料的显微硬度. 在高温摩擦条件下(800 ℃),由于NABO20磨损表面和Al₂O₃对偶球表面均形成完整光滑的润滑膜(Nb₂O₅、Al₂O₃、Ag₂Nb₄O₁₁、AgNbO₃和AgNb₃O₈),两层膜的存在阻隔了对偶球和复合材料的直接接触,抑制了磨损进程,从而有效地提高了复合材料的耐磨性能.      

转移膜的形成对含氢碳膜超低摩擦性能的影响

含氢非晶碳膜在惰性气氛下展现了超低摩擦性能,摩擦系数可达到10~(–3)数量级.本文中通过试验设计验证了转移膜的形成是碳膜超低摩擦性能获得的必要条件.采用含氢非晶碳膜(a-C:H)与钢作为摩擦配副,球盘接触旋转运动,更换接触方式:一种是钢球与镀a-C:H薄膜的钢平板对摩,另一种是镀a-C:H薄膜钢球与钢平板对摩.保持配副材料不变,利用接触方式的差异,来改变转移膜形成的难易程度.第一种方式下,a-C:H可以转移到对偶形成均匀的转移膜,具有超低摩擦性能;在第二种方式下,a-C:H不能转移到对偶形成转移膜,摩擦系数高.而该转移膜是一种含氢的,以sp~2杂化为主的碳结构.氢能够参与钝化碳悬键,从而保证低化学作用活性,sp~2平面分子结构可以具有较低的剪切强度.因此,转移膜的形成和氢的钝化作用对a-C:H薄膜超低摩擦机理均具有重要的贡献.     

乳化液环境中WC/a-C:H薄膜摩擦行为的研究

采用等离子体增强化学气相沉积复合磁控溅射法制备了WC/a-C:H薄膜.使用X射线衍射仪、扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱和透射电镜表征了薄膜结构和组成,并使用球盘往复摩擦试验机测试薄膜在不同体系乳化液环境中的摩擦学性能.结果表明:WC/a-C:H薄膜具有典型的类金刚石结构,WC以β-WC1-x相的形式存在. WC在碳基薄膜中的掺杂使WC/a-C:H薄膜的硬度和弹性模量分别变化至11和140 GPa.油膜、水膜与转移膜的协同润滑效应能够提升其耐磨能力.适宜的浓度配比和薄膜表面石墨化程度是影响摩擦的关键因素.     

宽温域环境中聚四氟乙烯及其复合材料摩擦学性能研究

对比研究了?100~100 ℃范围内聚四氟乙烯(PTFE)及三氧化二铝/聚四氟乙烯(Al₂O₃/PTFE)复合材料的摩擦学性能. 研究结果表明,PTFE因为蠕变,在升温过程中摩擦系数逐步降低,磨损率逐步升高. 而引入Al₂O₃填料会显著影响PTFE的摩擦学行为,Al₂O₃/PTFE的摩擦系数普遍比PTFE高,而磨损率比PTFE低. 摩擦学机理表明,滑动过程中形成的摩擦膜是决定摩擦学行为的关键因素. 这对极端工况条件下高分子复合材料的设计具有重要的指导意义.      

C2H2/Ar流量比对a-C:H涂层结构及摩擦学性能的影响

a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能,使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景,而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层,对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:增大C₂H₂/Ar流量比,涂层的生长率及H含量逐渐增大,但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化,a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C₂H₂/Ar流量比的增大而逐渐减小,但结合强度却先增大后降低. 当C₂H₂/Ar流量比低于4:3时,涂层表现出良好的减摩耐磨性能,当C₂H₂/Ar流量比高于4:3时,涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言,a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C₂H₂/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化,使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C₂H₂/Ar流量比为1:1时,a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10?8 mm3/(N·m)],表现出最佳的力学及摩擦学性能,这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.      

热处理NiAl-Bi2O3涂层的宽温域循环摩擦学行为及高低温润滑相再生机制

采用UMT-3高温摩擦试验机评价了氩气气氛800℃热处理等离子喷涂NiAl-Bi₂O₃涂层在室温至800℃的摩擦磨损性能.通过分析热处理前后涂层及其摩擦表/界面的组成和微结构演变,首次研究了热处理NiAl-Bi₂O₃涂层的高低温润滑相(NiBi、Bi₂O₃和NiO)自适应再生机制及宽温域循环摩擦学行为.结果表明：热处理能使涂层中产生弥散增强的Al₂O₃和具有中低温润滑性的金属间化合物NiBi,提高了涂层室温至800℃的减摩抗磨性能,尤其使涂层在400℃的摩擦系数和磨损率分别从0.39和35.56×10^-5 mm³/(N·m)降至0.28和8.53×10^-5 mm³/(N·m);在800℃时,接触表面通过摩擦氧化再次产生润滑相(Bi₂O₃、NiO),并与增强相Al₂     

氧化铝/石墨-硫酸钡层状复合材料的摩擦学性能及润滑机理

将石墨和硫酸钡按一定比例复合作为弱界面层,通过铺层-冷压-放电等离子烧结工艺制备了Al₂O₃/Graphite-BaSO₄层状复合材料. 考察了复配润滑剂的组分对层状复合陶瓷在室温至800 ℃连续加热过程中自润滑性能的影响规律,并通过磨损表面分析探讨了其在宽温域下的协同润滑机制. 结果表明:通过复配在室温和中高温度段具有优异自润滑性能的固体润滑剂,并借助仿贝壳材料独特的层状结构特征,可有效改善氧化铝陶瓷在不同温度段的摩擦学性能,进而实现材料在较宽温度范围内的连续润滑. 基于润滑相组分优化的复合材料在室温至800 ℃温度范围内与Al₂O₃栓对摩时的摩擦系数可保持在0.28~0.48之间,比块体Al₂O₃陶瓷/Al₂O₃栓摩擦副的摩擦系数降低了近60%.      

MoO3-ZnO/镍基复合涂层制备及其摩擦学性能研究

利用等离子喷涂工艺制备了含氧化物(MoO₃-ZnO)的镍基复合涂层,通过UMT-3球盘式高温摩擦试验机评价了复合涂层在室温、400和800 ℃下的摩擦学性能,并采用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)以及拉曼光谱仪(Raman)等分析手段研究了涂层微观组织、物相组成以及磨损机理. 结果表明:在室温和400 ℃,复合涂层的摩擦系数和磨损率均高于Ni-5%Al金属基底,且随着氧化物含量的增加,润滑和耐磨性能均被削弱,主要表现为磨粒磨损和黏着磨损. 在800 ℃,MoO₃和ZnO的添加可以有效改善复合涂层的摩擦性能,随着其含量的增加,摩擦系数变化不明显,而磨损率逐渐增加. 特别是添加5%MoO₃和5%ZnO的复合涂层在800 ℃摩擦系数低至0.28,磨损率低至4.22×10?5 mm3/(N·m),其良好的高温润滑耐磨性能得益于摩擦表面二元氧化物(NiO、MoO₃和ZnO)和三元氧化物(ZnMoO₄和NiMoO₄)的协同作用.      

界面调控对类金刚石碳基薄膜在甲烷气氛下摩擦学性能的影响

在甲烷气氛下,利用不同材质摩擦副与非晶碳(a-C)基薄膜构成不同的自配副与非自配副摩擦体系,构建出不同的滑动界面,通过研究非晶碳(a-C)基薄膜与不同摩擦副对摩时的摩擦学行为,分析探索滑动界面对体系摩擦学行为的作用机理. 结果表明:摩擦副对a-C薄膜的摩擦学行为影响较为明显,主要通过影响滑动界面碳悬键的再杂化形式来引起体系摩擦学行为差异;甲烷解离基团对碳悬键的钝化能够有效降低体系摩擦系数,但过多的钝化形成多聚a-C:H,对体系造成不利影响. 研究结果为烃类下提高DLC薄膜的减磨作用提供参考.      

氮化硅陶瓷球与轴承钢的微动摩擦磨损特性与损伤行为研究

Si₃N₄陶瓷球具有高承载、轻质、减振降噪以及化学性质稳定等特点,作为滚动体广泛用于高速高精密轴承中. 针对轴承球与滚道间的微动摩擦磨损行为,以不同烧结工艺制备的具有不同烧结助剂配方的Si₃N₄陶瓷球为研究对象,开展其与轴承钢的微动摩擦磨损试验,分析比较了Si₃N₄陶瓷球烧结工艺和助剂配方对摩擦状态与损伤程度的影响. 结果表明:无润滑条件下,5AlEr和3AlY助剂配方的Si₃N₄陶瓷球具有更稳定的摩擦状态和更低的磨损程度;提高气压烧结温度可缓解微动损伤行为,降低损伤程度;热等静压工艺的引入虽然进一步缓解磨损行为,但总体减弱了Si₃N₄陶瓷球的耐磨性能,从而为轴承用Si₃N₄陶瓷球制备工艺的优化提供依据. 并进一步揭示了Si₃N₄陶瓷球摩擦损伤、剥落和疲劳裂纹的损伤行为与磨粒磨损、黏着磨损和疲劳损伤,以及摩擦化学反应相结合的损伤机制.      

多弧镀及磁过滤阴极弧沉积TiN薄膜的摩擦学性能对比

分别采用多弧离子镀(MAIP)和带有平面"S"形过滤管的磁过滤阴极弧设备(FCAP)在不锈钢基底上制备了2种TiN薄膜;采用往复式球-盘摩擦磨损试验机评价了2种薄膜的摩擦学性能;采用扫描电子显微镜观察和分析了薄膜磨斑表面形貌及其元素面分布.结果表明:采用FCAP技术制备的薄膜表面光滑、缺陷少、普遍具有明显的(111)面择优取向;而采用MAIP技术制备的薄膜表面存在较多大小不一的颗粒和孔洞,且无明显取向.在较低载荷下,采用FCAP薄膜表现出较好的抗磨性能,其磨斑表面存在沉积的TiN磨屑;而采用MAIP制备的薄膜磨斑表面无转移沉积磨屑,摩擦系数较高.