镁合金表面磁控溅射CNx/SiC/Ti多层膜的摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备了CNx/SiC/Ti(氮化碳/碳化硅/钛)多层膜(SiC、Ti为中间层),研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.结果表明:CNx薄膜具有低的纳米硬度(6.67GPa)、低的弹性模量(54.68GPa)和高的硬度与弹性模量比值(0.122);在以氮化硅球为对摩副的室温干摩擦条件下摩擦系数约为0.162,磨损率在10-6mm3/(m.N)级,薄膜经长时间(3.5h)磨损后未出现裂纹和剥落.分析表明,摩擦化学和硬度与弹性模量比值对摩擦系数和磨损率有重要影响.     

碳化硅薄膜的力学性能测试分析

对利用射频磁控溅射及真空退火方法在(100)硅晶片衬底上制备的纳米晶碳化硅(SiC)薄膜,用纳米压痕仪进行了力学性能测试分析。纳米压痕技术测试给出两块SiC薄膜样品I和II的弹性模量/硬度分别约为106GPa/9.5GPa和175GPa/15.6GPa。纳米划痕技术测试两块SiC薄膜的摩擦系数分别约为0.02~0.15和0.05~0.18,显示出良好的润滑性能;对薄膜的临界附着力等进行测量以评价膜基结合强度,分析了划痕过程中薄膜近表面弹塑性变形和断裂信息。在原子力显微镜下对SiC薄膜样品的初始表面及残余压痕和划痕形貌进行了观察分析,与测试结果相符。综合比较,样品II的整体性能优于样品I。本文中薄膜的弹性模量和硬度值较低可归因于制膜技术的不同和表层碳含量偏高。     

MoS2基复合薄膜制备及其结构与摩擦学性能研究

利用多靶磁控溅射法制备MoS_2基系列复合薄膜,通过扫描电子显微镜、X-ray衍射、拉曼光谱对薄膜微观形貌及晶体结构进行表征,利用纳米压入表征薄膜硬度及弹性模量,通过微动摩擦磨损试验对比分析了该系列薄膜在大气环境下的润滑性能.研究结果表明:MoS_2薄膜中复合C、Ti元素可有效抑制薄膜生长过程中柱状结构的形成,薄膜更为致密;复合薄膜的摩擦系数及磨损率显著降低.其中,MoS_2+C+Ti三元复合薄膜硬度为7.43 GPa,其弹性模量及弹性恢复量分别为98.1 GPa和61.7%.在大气环境(RH 35%~50%)下,法向载荷10 N时MoS_2+C+Ti薄膜具有最低的磨损率4.67×10–17 m~3/(N·m),该薄膜在不同载荷的微动摩擦试验中均具有最好的承载力.     

Ti3SiC2/Inconel718摩擦副的高温摩擦学性能

本文考察了Ti3SiC2-Inconel 718摩擦副从室温到800 ℃范围内的摩擦磨损性能.结果表明:温度的升高有利于改善Ti3 SiC2-Inconel 718摩擦副的摩擦磨损性能,在800℃时,其摩擦磨损性能优异.随着温度的升高,摩擦系数从室温的0.71降至800℃时的0.37,Ti3SiC2的磨损率从4×10-3 mm3/(N·m)降至10-5mm3/(N·m)以下.高温塑性变形和摩擦氧化物层的形成导致摩擦系数的降低,300℃以下,晶粒的断裂、拔出与脱落以及材料向合金的转移造成了Ti3SiC2高的磨损率,从400℃至800℃,Ti3 SiC2晶粒的断裂与脱落受到明显抑制,其磨损率显著降低.     

纳米SiC增强CoCrMo高温抗磨复合材料及摩擦学性能

采用粉末冶金技术制备了纳米SiC陶瓷颗粒(0.0%、1.0%、2.2%和3.4%,质量分数,后面未作特殊说明,均为质量分数)强化的CoCrMo基高温抗磨复合材料,对复合材料的相组成及高温摩擦学性能进行了系统性研究. 在室温至1 000 ℃范围内利用球-盘式高温摩擦试验机测试了材料的高温摩擦学性能. 结果表明:复合材料的基体主要由γ (fcc)和ε (hcp)合金相构成,加入纳米SiC后复合材料出现了MoCr相,这有利于复合材料硬度的提高;纳米SiC提高了复合材料的硬度,同时降低了复合材料的密度;摩擦系数与纳米SiC的含量和温度相关,摩擦系数随纳米SiC含量的增加而增大,室温至800 ℃的摩擦系数整体呈下降趋势,1 000 ℃时含2.2%和3.4% SiC的复合材料具有较低的摩擦系数;高温环境下复合材料的抗磨损性能随纳米SiC含量的增加而显著提高;复合材料的磨损机理在不同温度下存在差异,随着温度升高,磨损机理逐渐由磨粒磨损和塑性变形转变为氧化磨损. 室温至1 000 ℃范围内CoCrMo-2.2% SiC具有较优异的高温抗磨损性能,这主要归因于复合材料的高硬度和磨损表面完整的氧化物润滑层.      

磁过滤真空弧源沉积技术制备C/C多层类金刚石膜及其摩擦磨损性能研究

采用磁过滤直流阴极真空弧源沉积技术在Si基体和GCr15基体表面制备了C/C多层DLC膜,通过X射线光电子能谱仪分析薄膜结构特征;用原子力显微镜观察C/C多层DLC膜的表面形貌;采用台阶仪测试薄膜厚度;利用纳米硬度仪测试薄膜纳米硬度;在销盘式摩擦磨损试验机上进行C/C多层DLC膜在大气下的摩擦性能评价,同时比较了单层DLC膜、TiN膜和C/C多层DLC膜的耐磨性能.结果表明:C/C多层DLC膜表面光滑、致密,厚度达0.7 μm,硬度高达68 GPa,与SiC球对摩时的摩擦系数为0.10左右,耐磨性明显优于单层DLC膜和TiN膜.     

氮化钛沉积膜的摩擦性能研究

采用等离子电弧沉积法在9Crl8钢表面制备了厚约0．5μm的TiN薄膜，通过显微硬度测试以及纳米压痕和纳米划痕试验，对比考察了9Crl8钢及其表面T|N薄膜的机械和摩擦性能．结果表明，9Crl8钢及其表面T．N沉积膜的纳米硬度分别为8GPa和38GPa，弹性模量分别为250GPa和580GPa，9Crl8、TiN和有机薄膜的摩擦系数分别为0．40、0．12和0．10；TiN沉积膜可显著提高基体钢的承载和耐磨能力．     

偏压及测试环境对新型MoS2-Ti复合膜摩擦学性能的影响

采用新型高功率脉冲复合磁控溅射技术制备MoS2-Ti复合膜,并研究基体偏压和测试环境对复合膜摩擦学性能的影响.结果表明:制备的MoS2-Ti复合膜表面呈现颗粒状结构,Ti在薄膜表层与O反应形成氧化物有效抑制MoS2的氧化.随着基体负偏压从OV增大到-400 V,复合膜的S/Mo原子比逐渐减小.在-300 V偏压下,颗粒堆积最为紧密,薄膜硬度和弹性模量达到最大值,分别为9.7和137.1GPa,并具有最低的平均摩擦系数值(0.04)和磨损率[(10-7mm3/(N·m)].多种测试环境下的摩擦研究显示:在室温大气环境下复合膜的摩擦学性能与其结构的致密性紧密相关,而在N2以及不同湿度环境下薄膜表现出的优异摩擦学性能则归因于在摩擦过程中有效形成的转移膜贡献.     

Al/AlN多层膜的摩擦磨损性能研究

采用柱状靶磁控溅射系统制备Al/AlN纳米多层膜,采用纳米压痕仪测量Al/AlN纳米多层膜的纳米硬度,在UMT-2M型摩擦磨损试验机上评价其摩擦磨损性能.结果表明:当AlN层较厚时,薄膜在很短时间内被磨穿;调节Al/AlN层厚比为2.9/1.1时,薄膜的摩擦磨损性能明显提高;当保持Al/AlN层厚比为2.9/1.1、变化多层膜的调制周期时,薄膜的摩擦系数较低,但硬度较低的薄膜由于承载能力不够,不能够保持优良的摩擦磨损性能.     

一种类富勒烯碳膜与不同偶件对摩时的摩擦学行为及其机制研究

采用磁控溅射钛靶,以甲烷和氩气为前驱体,在单晶硅片表面制备了类富勒烯碳薄膜,采用高分辨率透射电子显微镜对薄膜的微观形貌进行了表征,采用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度及弹性回复,在球-盘微摩擦试验机上考察了薄膜与不同偶件（Si3N4球、Al2O3球、钢球）对摩的摩擦学行为.结果表明,薄膜具有类富勒烯结构特征,薄膜的硬度为20.9 GPa,对应的弹性回复高达85%.薄膜的摩擦性能与摩擦偶件相关：FL-C薄膜与Si3N4球对摩时磨屑在Si3N4球接触面充分覆盖,所形成的转移膜充当固体润滑剂而有效降低了摩擦系数;FL-C薄膜与钢球对摩时,由于钢球硬度远低于FL-C薄膜硬度,导致钢球在较高的接触压力下发生变形而使其表面粗糙度变大,摩擦系数增大,且FL-C薄膜表面发生了较为强烈的摩擦氧化反应,破坏了薄膜的原始结构,新生成的氧化聚合物结构较为疏松,在摩擦剪切作用下易于发生磨损.     

氮化钛硬质薄膜在不同种类润滑油下的摩擦学性能研究

采用球-盘摩擦试验机分别考察了氮化钛硬质薄膜与轴承钢和氮化硅陶瓷组成的摩擦副在不同种类润滑油条件下的摩擦学性能,并表征了其磨痕表面形貌与元素成份.结果显示:与Ti N硬质薄膜干摩擦性能相比,润滑油可显著降低摩擦系数,延长磨损寿命,且具有较长烷基碳链的润滑油性能较优;当上试球材料不同时,其油润滑条件下的性能亦不同.相同润滑油条件下,氮化硅球作为摩擦副时,其润滑性能优于轴承钢球.磨痕表面形貌及能谱分析结果表明:具有较长烷基碳链的润滑油在摩擦副研磨滑动过程中起到油性剂的作用,而短碳链硅油分子结构中含有氯元素,虽通过摩擦化学反应生成边界润滑膜,但不完整致密,以致短时间内润滑失效.     

溅射沉积WSx/Ni/a-C/Ni多层膜的微结构及大气环境摩擦学性能

采用磁控溅射技术在硅基体上交替沉积WS₂、Ni及非晶碳(a-C)层制备出不同Ni层厚度的WS_x/Ni/a-C/Ni多层膜. 利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪等研究了多层膜的成分及微观结构；通过纳米压痕仪、划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机等评价了薄膜的力学及大气环境中的摩擦学性能. 结果表明:随着Ni层厚度的增加，WS_x/Ni/a-C/Ni多层膜的致密度下降，n_s/n_w值(S与W原子百分数之比)由0.84降至0.73，WS_x层以微晶或非晶的形式存在. 多层膜的硬度和磨损率均随Ni层厚度的增加先降低后升高，但摩擦系数由0.22升至0.38，结合力先增大后减小. Ni层厚度为6 nm的多层膜的硬度可达13.4 GPa，抗氧化性能和耐磨性最优，磨损率仅为9.47×10–14 m3/(Nm).      

调制比对WSx/a-C多层膜微观组织及摩擦学性能的影响

采用磁控溅射交替溅射WS2和石墨靶,在200℃的Si基体上制备了不同调制比的WS_x/a-C多层膜(调制周期约为20 nm).利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子谱(XPS)等手段表征了多层膜的微观结构;采用纳米压痕仪、薄膜应力测试仪、涂层附着力划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机测试多层膜的机械性能及大气中的的摩擦磨损性能.结果表明:WS_x/a-C多层膜表面平整、结构致密,S/W比在0.92~0.97范围内波动,WS_x子层以微晶的形式存在,WS_x/a-C相界面处形成了WC相.随着调制比的增加,多层膜的硬度由7.8 GPa升高至9.0GPa,膜内压应力先减小后增大,结合力单调减小,摩擦系数由0.18增至0.29,磨损率迅速升高.调制比为1∶39的多层膜的摩擦学性能最佳,其磨损率约为6.1×10~(–15) m~3/(N·m).     

磁控溅射Al靶功率对类金刚石薄膜的结构和摩擦学性能影响

本文采用中频磁控溅射金属Al靶,以CH4为反应气体,通过调整Al靶溅射功率,在p(100)单晶硅片和不锈钢基底上成功制备出不同Al含量的Al/a-C:H纳米复合薄膜。并利用HR-TEM、XPS、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等手段分析和研究了Al/a-C:H薄膜的结构、机械及摩擦学性能。结果表明：金属Al以纳米晶颗粒形式镶嵌在非晶碳网络中,使得所制备Al/a-C:H薄膜呈现出典型的纳米晶/非晶复合结构;同时,Al掺杂促进薄膜中sp2杂化碳形成,且有效地释放残余内应力。Al靶溅射功率为800 W时所制备的Al/a-C:H薄膜具有结构致密、内应力低、硬度高的特性;在大气环境中,该薄膜与Si3N4陶瓷球干摩擦时显示出优越的摩擦学性能,其摩擦系数约为0.055,磨损率约为2.9×10-16 m3/(N?m)。     

PAN炭纤维预制体对C/C复合材料滑动摩擦磨损行为的影响

以二维平纹编织叠层炭纤维坯体(2D)、二维无纬布/炭毡混合叠层针刺毡坯体(2DN)、三维正交编织炭纤维坯体(3D)为预制体,采用化学气相渗透结合树脂浸渍炭化技术进行增密,制备了4种C/C复合材料.在室温干态条件下测试4种C/C复合材料与表面镀Cr的40Cr钢配副时的滑动摩擦行为.结果表明:在试验载荷下,采用2D坯体增强的C/C复合材料摩擦系数最高;随载荷增加,其摩擦系数和磨损体积的波动幅度最大,分别为0.17和1.22mm3;采用2DN坯体的2种C/C复合材料摩擦系数较低,在0.13～0.17之间,且随时间延长呈下降趋势;其余2种坯体的C/C复合材料摩擦系数则上升.4种材料摩擦系数的波动幅度均逐渐降低.SEM观察表明:采用2D坯体C/C复合材料在低载荷下的摩擦表面粗糙,充满磨屑,高载荷下能形成了较松散的摩擦膜.而采用2DN、3D坯体的C/C复合材料摩擦表面部分形成了较完整、致密的摩擦膜,部分呈现显著的纤维磨损和摩擦膜大块剥落形貌.     

SiC/环氧树脂复合材料冲蚀磨损性能的研究

采用环氧树脂为粘接剂制备了SiC/环氧树脂复合材料,在自制的射流式冲蚀磨损试验机上研究了SiC/环氧树脂的冲蚀磨损性能.结果表明:大尺寸SiC颗粒制备的复合材料较小尺寸SiC颗粒制备的复合材料具有更好的冲蚀磨损性能,且大尺寸SiC颗粒复合材料的冲蚀磨损性能优于Q235钢,而小尺寸SiC颗粒复合材料则低于Q235钢.随着冲蚀角度的变化,其平行材料表面的切削分量和垂直材料表面的冲击分量将会发生变化,低角度冲蚀磨损机理以显微切削和碾压造成环氧树脂及SiC颗粒的层片状脱落为主转变为高角度冲蚀磨损以SiC颗粒碎裂造成环氧树脂疲劳脱落为主.     

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.      

四面体无定型无氢非晶碳膜的制备及其摩擦学性能研究

采用磁过滤阴极真空弧系统分别在硅片[Si(100)]、W18Cr4V高速钢和Cr18Ni9不锈钢基体上沉积了一系列sp3键含量较高的四面体无定型无氢非晶碳膜(ta-C),研究了所合成薄膜的结构、硬度、附着强度和摩擦磨损性能,考察了基体和薄膜厚度对薄膜摩擦系数的影响,简要分析了相应ta-C膜的失效机理.结果表明,在高速钢基体上沉积的ta-C膜的显微硬度为76 GPa,结合力Lc值达42 N,具有优良的摩擦学性能,其摩擦系数为0.12,且摩擦系数可以在16 000 r范围内保持稳定.