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.     

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.     

钛合金表面加弧辉光离子无氢渗碳层的摩擦磨损性能研究

利用加弧辉光离子无氢渗碳技术对Ti6Al4V合金表面进行渗碳处理;用球-盘摩擦磨损试验机考察了渗碳改性层的摩擦磨损性能.结果表明:Ti6Al4V合金表面经离子无氢渗碳处理后形成的表面改性层均匀;改性层的显微硬度同Ti6Al4V合金相比大幅提高,达到936HV;渗碳后的试样在干摩擦滑动距离较小的情况下表现出良好的减摩作用,耐磨性能也显著增强.     

Ti6Al4V表面激光改性层重熔处理的微观组织特征及宽温域摩擦学性能研究

采用激光复合工程技术对Ti6Al4V基体表面进行强化耐磨处理,首先在Ti6Al4V合金表面进行激光氮化[Ti(N)]和氮氧化[Ti(N,O)]处理,然后在纯氩气气氛中分别对Ti(N)层和Ti(N,O)层进行激光重熔处理,制备了组织分布更为均匀的重熔氮化层[Re-Ti(N)]和重熔氮氧化层[Re-Ti(N,O)]. 组织结构分析揭示了Re-Ti(N)层主要由富氮αˊ-Ti和TiN_x组成,而Re-Ti(N,O)层则主要由富氧αˊ-Ti和TiN_xO_y组成. 相对于Ti6Al4V基体,Re-Ti(N)层和Re-Ti(N,O)层的硬度、弹性模量和磨损量降低了2倍以上,然而激光复合处理前后材料均表现出较大的摩擦系数. 相对于Re-Ti(N)层,氧原子的加入,不仅能够有效细化组织和提升强韧度,而且显著抑制了摩擦界面的黏着磨损. 通过磨屑结构分析进一步验证了基体黏着磨损机制和重熔改性层磨粒磨损机制.      

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.     

多层膜结构对硬度实验影响的数值分析

为了研究多层膜结构对纳米微硬度实验的影响,用FEPG对纳米微硬度实验中压头的压入过程进行数值模拟,分析了由TiN,Al,Ti组成的多层膜中软膜材料不同、软膜与硬膜厚度比不同以及多层膜层数不同对膜层体系产生的影响,得出梯度变化的膜层结构能够提高膜层的整体性能,为纳米微硬度实验提供了一定的参考依据．     

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.     

TiN/TaN多层膜的结构和摩擦学性能

利用磁控溅射法在单晶硅基底上制备了一系列TiN/TaN多层膜; 采用X射线衍射仪、显微硬度计、球-盘摩擦磨损试验机和三维表面形貌仪等分析了多层膜的结构、硬度、摩擦学性能和磨损机制.结果表明:所制备的多层膜具有良好的周期性和清晰的界面结构,其中TiN层具有面心立方结构,当TaN层在调制周期Λ值小于8.5 nm时具有面心立方结构,在调制周期Λ值大于8.5 nm时具有部分六方结构;多层膜的硬度受调制周期影响,当调制周期Λ值为8.5 nm时,显微硬度达到最大值31.5 GPa.相对于TiN薄膜而言,TiN/TaN多层膜的摩擦系数较高、耐磨性能更好;多层膜的磨损机制主要为犁削、粘着和局部剥落.     

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).     

Ti-6Al-4V微弧氧化陶瓷膜的微观结构及摩擦磨损性能研究

在NaAlO2和Na3PO4混合电解液中,利用微弧氧化技术在Ti-6Al-4V表面制备了氧化物陶瓷膜.用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及显微硬度仪分别对微弧氧化膜的微观结构、相组成及其断面硬度进行分析,并对氧化膜致密层的摩擦磨损性能进行研究.结果表明:氧化膜表面呈现出多孔结构,氧化膜疏松层与致密层无明显界限,氧化膜与基底以犬牙交错形式结合;氧化膜主要由TiAl2O5和TiO2相组成,还含有少量AlPO4相和Al2O3相,氧化膜疏松层中TiAl2O5相的含量明显高于致密层;氧化膜内距Ti-6Al-4V基底约21 μm处的硬度存在最大值,两侧硬度降低;微弧氧化膜与Si3N4球对摩时具有较高的摩擦系数,磨损率比Ti-6Al-4V降低2个数量级,说明氧化膜致密层具有良好的耐磨性能,其磨损机制为微区脆性断裂.     

C/C复合材料微观结构对其制动摩擦磨损性能的影响

采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等手段研究了基体炭分别为树脂炭和粗糙层热解炭结构的C/C复合材料的微观结构,并探讨了材料的微结构对其制动摩擦磨损性能的影响.结果表明:炭纤维附近的树脂炭被高度石墨化,导致树脂炭样件具有适当、稳定的摩擦系数;树脂炭片层之间存在明显的裂纹,远离炭纤维的树脂炭仍是各向同性结构,容易被剪切力剪断,产生大量碎屑,破坏了摩擦动态平衡,磨损量大是制约其作为优良制动摩擦材料的关键因素.     

纤维取向对C／C复合材料滑动摩擦磨损特性的影响

采用M-2000型摩擦磨损试验机研究了干摩擦条件下纤维取向对C／C复合材料与40Cr钢摩擦副摩擦磨损特性的影响．结果表明：随着载荷增加，纤维轴向与滑动方向一致（X方向）时的摩擦系数较垂直滑动方向／摩擦表面（Y／Z方向）时的变化幅度低，X方向试样基体炭的磨屑损耗快，磨损较大；Y／Z方向试样基体炭的磨屑移动能力低，易堆积成膜，但在高载荷下纤维易被剪切．对于全光滑层热解炭材料，随着载荷增加，其X方向的磨损体积损失在0．4266～0．997mm^3之间，Y方向的磨损体积损失在0．448～1．020mm^3之间，而Z方向的磨损体积损失在0．349～1．420mm^3之间；对于全树脂炭材料，X方向的磨损体积损失随载荷增加在0．429～1．134mm^3之M波动，而Y方向的磨损体积损失在0．237～0．981mm^3之间变化．     

刹车速度对C／C复合材料制动摩擦性能的影响

在MM－1000型摩擦磨损试验上考察了碳布叠层结构的C／C复合材料在不同速度下的制动摩擦磨损行为,并用扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面形貌,结果表明：随着刹车速度的增大,摩擦系数增大,在20－25m/s速度范围出现峰值;当刹车速度增大至28－30m/s时,摩擦系数仍保持较高,体现了优良的高能摩擦特性;磨损量在低速时较小,当刹车速度大于15m/s,磨损量迅速增大,低速时磨损表面由一层薄的磨屑层所覆盖,当速度大于15m／s,大量的磨屑形成一层较厚的磨屑层,高速时由于剧烈的氧化和剪切作用,很多基质碳被氧化剥落,炭纤维被磨断、拔出,使磨损增大。     

C60的摩擦学特性研究

采用四球摩擦磨损试验机考察了Ｃ６０添加剂对液体石蜡的抗磨和极压性能的影响,并与２种国外的商用润滑油添加剂进行了极压性能对比研究,发现Ｃ６０在较高速度范围内具有一定的极压与润滑作用,其经过适宜的改性处理可望成为优良的润滑油添加剂。     

环境气氛对C/C复合材料载流摩擦学性能的影响

在HST-100销盘式高速载流摩擦磨损试验机上,以电流、速度、载荷为试验参数对C/C复合材料/QCr0.5摩擦副进行载流摩擦磨损试验,分别分析空气、氮气对C/C复合材料磨损率和摩擦系数的影响.试验结果表明:相较于空气气氛,氮气气氛下摩擦系数较高,磨损率较低.通过扫描电子显微镜和能谱仪对不同气氛下材料磨损表面形貌和成分进行观察,从微观上解释了两种气氛对C/C复合材料磨损率和摩擦系数的作用机理.     

B4C/(W,Ti)C陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损机理研究

采用热压烧结工艺制备了B4C／(W，Ti)C陶瓷喷砂嘴；采用SiC、白刚玉和棕刚玉磨粒对所制备的喷砂嘴进行冲蚀试验，在应力分析基础上探讨了陶瓷喷砂嘴的冲蚀磨损机理，结果表明：B4C／(W，Ti)C陶瓷喷砂嘴的冲蚀率随着磨粒硬度和粒度的提高而增大；喷砂嘴入口磨损最严重，出口次之，而中间区域磨损相对较轻；相应的应力分析结果同试验结果相吻合；以棕刚玉作为冲蚀磨料时，B4C／(W，Ti)C陶瓷喷砂嘴主要呈现应力疲劳断裂冲蚀特征，而以白刚玉和SiC作为冲蚀磨料时，喷砂嘴入口处主要呈现脆性断裂冲蚀特征，中问区域则主要呈现应力疲劳断裂冲蚀特征。     

C/C复合材料及高强石墨高温摩擦磨损性能对比研究

采用MG-2000型摩擦磨损试验机对比考察了C／C复合材料及航空发动机主轴密封环拟用材料高强石墨的高温摩擦磨损行为，采用显微激光拉曼光谱仪及扫描电子显微镜分析了C／C复合材料磨损表面组成及形貌．结果表明：具有粗糙层和光滑层复合结构的C／C复合材料的高温摩擦磨损性能明显优于高强石墨材料，适合用作航空发动机主轴密封环材料；C／C复合材料的高温摩擦磨损性能取决于磨粒磨损、粘着磨损及氧化磨损的共同作用．     

激光熔覆Cr3C2/Co基合金复合涂层组织与摩擦磨损性能研究

在低碳钢表面激光熔覆制备了添加质量分数40%Cr3C2的钴基合金复合涂层(Cr3C2/Co),研究了激光熔覆Cr3C2/Co涂层的显微组织、相结构、显微硬度及其摩擦磨损性能,并与激光熔覆钴基合金涂层(Co60)进行了相同工艺条件下的对比试验.结果表明,激光熔覆Co60涂层以亚共晶方式结晶,涂层组织主要由大量初生γ-Co枝晶固溶体及其间的共晶组织γ-Co Cr23C6组成;激光熔覆Cr3C2/Co涂层以过共晶方式结晶,组织主要由未熔Cr3C2粒子、大量杆状和块状的富Cr碳化物(M7C3及M23C6型碳化物)以及其间的细小枝晶与共晶组织组成.添加Cr3C2改变了Co60涂层的凝固特征,未熔Cr3C2粒子起到了非自发形核作用,在其周围形成了许多富Cr碳化物,细化了涂层枝晶组织.激光熔覆Cr3C2/Co涂层的显微硬度及其耐磨性比Co60涂层明显提高.Co60涂层主要磨损机理为脆性剥落和犁削,Cr3C2/Co涂层的磨损机理主要为轻微犁削.