钛合金表面自润滑复合耐磨结构的制备及其摩擦性能研究

本文中采用激光微加工法在TC4钛合金表面制备了不同形貌与分布密度的微观织构,将表面织构、热氧化膜与PTFE润滑薄膜相复合制备了自润滑复合耐磨结构,同时考察了滑动条件下织构形貌及织构密度对这一复合结构摩擦磨损性能的影响. 结果表明:与未织构面的润滑薄膜相比,织构面薄膜的结合力明显增大,表面织构与润滑薄膜的结合显著增强了材料的减摩抗磨性能. 在最优的织构密度下,含有薄膜的织构化钛合金表面的磨损率可降低至1.5×10?6 mm3/(N·m),较未织构面润滑薄膜的磨损率降低了99.3%. 而将经热氧化的织构表面与润滑薄膜的结合则进一步提升了材料的耐磨性,热氧化织构面润滑薄膜的磨损率最低可达8.0×10?7 mm3/(N·m),与未热氧化的织构面润滑薄膜相比,磨损率降低了46.1%. 在相同的织构间距条件下,线型热氧化织构面显示出低而稳定的摩擦系数与极低的磨损量,这主要得益于高密度微织构对润滑介质的有效补充以及高硬度热氧化膜的耐磨性起到了协同减摩抗磨的作用.      

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.      

氧化铝/钼自润滑结构陶瓷表面三维复合润滑层的制备与摩擦学性能研究

应用先进的激光表面加工技术,在Al_2O_3/Mo层状自润滑结构陶瓷表面制备了微坑型织构.将织构图案作为固体润滑剂的贮存槽,通过在其中引入固体润滑剂形成三维复合润滑层.考察了复配润滑剂对织构化氧化铝/钼复合陶瓷在室温至800℃连续加热过程中的协同润滑作用,并通过磨损表面分析探讨了其在宽温域下的润滑机理.结果表明:通过集成固体润滑剂优异的减摩抗磨性能和微织构特殊的结构特征,可使氧化铝/钼复合陶瓷在室温、中温区域的摩擦学性能得到显著改善,实现了材料在较宽温度范围内的连续润滑.复合Graphite/BaSO_4/CaF_2-BaF_2的表面在室温至800℃温度范围内的摩擦系数均保持在0.45以下.     

三维双连续铜/石墨自润滑复合材料的构筑及其摩擦磨损性能研究

以聚氨酯海绵为三维连续网络结构模板,采用浸渍法在聚氨酯海绵骨架表面均匀涂敷石墨浆料构筑具有三维连续网络结构的石墨骨架,然后在石墨骨架中填充铜合金粉,经排胶-热压烧结工艺制备石墨相和金属铜呈三维双连续复合型结构的铜/石墨自润滑复合材料. 研究考察了三维双连续复合结构对材料承载能力和抗冲击破坏能力的影响,并探究了材料在重载作用下的摩擦磨损行为. 结果表明:通过三维双连续结构设计,能够有效改变石墨相的富集状态和分布形式,并借助连续金属铜基体的高承载作用,显著提升材料在重载作用下的减摩抗磨性能. 在180 N载荷下与轴承钢相对摩擦时,块体663铜合金和均相铜/石墨复合材料均出现急剧磨损并与摩擦配副发生“卡咬”现象,其中块体663铜合金与配副由于“卡咬”严重而停止试验,均相铜/石墨复合材料的磨痕深度达1.38 mm. 然而,具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料的摩擦系数可保持约在0.12左右,磨痕深度为0.16 mm,展现出优异的长时间耐磨损性能,磨损率约为5.3×10?6 mm3/(N?m). 同时,该结构设计能够大幅减少石墨相与金属铜间的弱界面数量,并有效利用连续石墨相对裂纹传播路径的“歧化”引导和金属铜对扩展裂纹的钝化作用,使复合材料在保持铜合金高承载的同时显著提升材料的抗冲击破坏能力. 具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料的抗弯强度可与块体663铜合金比拟,高达372±38 MPa,是均相铜/石墨复合材料抗弯强度的2.0倍左右. 此外,具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料还具有更加优异的抗外载冲击破坏能力,其冲击韧性高达32.8±3.1 J/cm2,比均相铜/石墨复合材料的冲击韧性提高了11.1倍,甚至比块体663铜合金的冲击韧性高出2.2倍.      

Cu663合金表面石墨-铜三维复合润滑层的构筑与摩擦学性能研究

借助激光微加工技术,将柔性石墨纸加工成规则排列的多孔结构,利用多孔柔性石墨纸在Cu663合金表面构筑石墨-铜三维复合润滑层结构. 分别考察了表面石墨-铜三维复合润滑层在干摩擦和海水腐蚀环境下的摩擦学性能,并揭示了摩擦磨损机理和腐蚀机理. 结果表明:该三维复合润滑层结构具有优异的自润滑性能,且通过改变纹理图案和尺寸参数可有效调控其摩擦学性能. 当Cu663合金表面三维复合润滑层石墨表面密度为50%时,干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.14 ± 0.01和(5.10 ± 1.33) ×10?6 mm3/(Nm),相较于无润滑层的Cu663样品摩擦系数0.53和磨损率(2.97 ± 0.57) ×10?4 mm3/(Nm)分别降低73%和2个数量级. 在海水腐蚀环境中,表面石墨-铜三维复合润滑层的铜与石墨纸界面产生微弱电极,对三维复合润滑层的腐蚀摩擦性能起到至关重要的作用.      

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%.      

热氧化改性TC4合金在液体润滑条件下的摩擦学行为研究

应用热氧化表面处理技术,在TC4表面制备了金红石型的TiO_2氧化膜.考察了热氧化改性TC4合金分别在去离子水和PAO10润滑条件下的摩擦学特性,并通过磨损表面分析讨论了其在不同条件下的减摩抗磨机理.结果表明:经过热氧化改性的TC4合金,无论在PAO10润滑条件还是去离子水润滑条件下,都表现出优异的摩擦学性能.相较于未处理的TC4表面,改性TC4合金在PAO10和去离子水润滑条件下磨损率分别下降了99%(50 N,5 cm/s)和98%(10 N,9 cm/s).     

石墨相形态对铜/石墨复合材料摩擦学性能和可靠性的影响

采用真空热压烧结工艺制备了石墨相形态为粉体(粒径约5 μm)、鳞片状(粒径445~636 μm)和近球形颗粒状(粒径200~300 μm)的铜/石墨复合材料,考察了以Al₂O₃陶瓷为摩擦副条件下石墨相形态对铜/石墨复合材料摩擦磨损性能及作用机制的影响,并探讨了材料在外载作用下的可靠性. 结果表明:石墨相形态不同时,石墨相和金属铜在材料中的分布方式也随之改变,进而影响到材料的摩擦学性能和力学性能. 在保持复合材料中石墨相含量不变的基础上,将石墨相形态从微米级粉体转变为各向异性的大块鳞片状石墨,再转变为各向同性较好的大尺寸近球形颗粒状石墨时,石墨相在材料中与金属铜形成的弱界面含量逐渐减小,金属铜的三维连续性变得更好. 材料在受到外载破坏时,从石墨相与铜基体界面萌生裂纹的扩展应力可被连续金属铜及时吸收钝化,使材料抵抗裂纹破坏的能力明显提高. 当石墨相为近球形颗粒状时,材料的抗弯强度、抗压强度、断裂韧性和冲击韧性分别高达155.4±3.6 MPa、353.5±24.7 MPa、5.3±0.6 MPa·m1/2和4.0±0.4 J/cm2. 此外,石墨相形态对材料的摩擦学性能也有重要影响,当石墨相以粉体形态存在时,石墨相与金属铜间形成的弱界面越多,铜基体的连续程度被石墨显著割裂,在摩擦力作用下割裂的铜颗粒易被剥离进入摩擦界面,与摩擦副形成“三体”磨损,导致材料的大量磨损. 当石墨相以鳞片状形态存在时,石墨相的聚集程度相对增加,使得金属铜的连续程度相对提高,可避免发生类似复合粉体形态石墨材料的磨损. 但是,鳞片状石墨呈大块片层状,形状各向异性,随着材料表面鳞片石墨的摩擦损耗,或者垂直于材料表面的鳞片石墨较多时,将造成摩擦副间摩擦系数较大的波动. 当石墨相为近球形颗粒状时,较为均匀的石墨相空间分布状态、三维连续结构的铜基体和润滑相/承载基体呈现的软/硬交替结构使得铜/石墨复合材料具有低且平稳的摩擦系数以及优异的减摩抗磨性能. 本文中以Al₂O₃栓为摩擦对偶时,复合材料的摩擦系数和磨损率分别低至0.13±0.02和5.4×10?6 mm3/(N·m).      

纸基摩擦材料与不同含碳量钢配副之间的摩擦学性能及其失效机理研究

采用湿法成型辅助热压工艺制备了纸基摩擦材料. 分别考察了纸基摩擦材料在无油状态和富油状态下与不同碳含量钢配副材料的摩擦适配性，并通过磨损表面形貌分析和探讨了其在无油状态下的失效机理. 结果表明:在无油状态下，随配副材料硬度增高，纸基摩擦材料的摩擦系数下降，摩擦稳定性提升，磨损率降低，高硬度的65Mn钢与纸基摩擦材料的适配性较好. 纸基摩擦材料在无油状态下主要表现为由疲劳裂纹引发的纤维脱粘与拔出导致的材料失效. 在富油状态下，配副材料的硬度对纸基摩擦材料的摩擦性能无显著影响，润滑油膜和摩擦膜的形成能有效减轻对配副材料的微观切削作用，从而抑制材料的磨损.      

织构化钛合金表面二硫化钨磷酸盐涂层的制备及其宽温域摩擦学性能

本文中以水为分散介质，二硫化钨为固体润滑剂，二氧化锆为增强相，磷酸二氢铝为黏结剂，采用喷涂工艺在织构化的钛合金表面制备环境友好型的磷酸盐涂层.考察涂层在室温～400℃范围内的摩擦磨损性能，并探究涂层与钛合金表面微织构的协同减摩抗磨机制及其对涂层磨损寿命的影响.结果表明：钛合金表面的二硫化钨磷酸盐涂层在宽温域条件下展现出良好的减摩抗磨性能.在400℃时，含有涂层的钛合金磨损率可降低至1.3×10^-4 mm³/(N·m)，比钛合金基底的磨损率降低了45%.在钛合金表面构筑微织构，可进一步改善涂层的耐磨损性能，延长宽温域条件下的磨损寿命.在室温～400℃温度范围内，钛合金织构化表面涂层与TC4球对摩的摩擦系数均可低至0.30以下，磨损率可低至1.2×10^-5 mm³/(N·m)以下.同时提出了高温条件下涂层的润滑机理，以及表面微织构与固体润滑涂层间的“机械互锁”与“自补偿润滑”的减摩抗磨机制.