激光织构化TiN薄膜的干摩擦性能研究

采用固体Nd:YAG激光器对离子镀TiN薄膜进行织构化处理,表征了薄膜的结构、形貌及凹坑织构参数.通过UMT-2往复式球-盘摩擦磨损试验机评价了织构化薄膜的摩擦磨损特性,研究了织构形貌对TiN薄膜干摩擦条件下摩擦磨损性能的影响.研究结果表明:与未织构化的TiN薄膜相比,织构化TiN薄膜的平均摩擦系数降低,并且磨损率明显减小,这说明织构化TiN薄膜具有更好的耐磨损性能.摩擦过程中,凹坑织构既捕获了磨屑,又有利于摩擦过程中阶跃运动的发生,易于将磨屑带出磨痕,从而降低了摩擦磨损.     

织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究

采用激光加工技术在不锈钢表面构造深度不同的沟槽型织构图案,通过UMT摩擦磨损试验机测试了不同织构深度的不锈钢表面在PAO6油润滑条件下的摩擦磨损性能,利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)对摩擦前后的沟槽形貌进行表征分析,采用计算流体动力学(CFD)方法对试验进行模拟并计算,结合ANSYS Fluent软件模拟分析结果,探究了沟槽织构深度对不锈钢表面在油润滑条件下的摩擦学性能的影响机理. 研究结果表明:加工的沟槽织构及其织构深度显著影响不锈钢表面在PAO油润滑条件下的摩擦磨损行为,织构深度为10 μm的不锈钢表面获得最好的抗磨和减摩效果,与未织构表面相比,其摩擦系数与磨痕宽度降低了60%以上. 这主要是由于织构深度为10 μm的不锈钢表面在摩擦过程中,润滑油通过其收敛区域时产生了很好的楔效应,润滑油产生的升力较大,改善了该织构表面在摩擦过程的润滑状态,从而呈现很好的摩擦学性能.      

表面织构对内燃机缸套-活塞环系统摩擦性能的影响

设计了一种微凹坑表面织构,通过数控精密机械加工的方法制备于缸套切片表面,利用往复式摩擦磨损试验机研究了微凹坑织构在不同工况下的摩擦性能和对内燃机缸套-活塞环摩擦副摩擦性能的影响.试验数据表明:与无织构化表面相比,微凹坑织构的平均摩擦系数均有不同程度的变化,最大降幅达41.83%,最大增幅达33.68%.当微凹坑织构工作在合适的工况条件时,其摩擦性能比无织构化表面有明显的改善.对于某种具有固定几何参数的表面织构,存在一个合适工况条件使其能够最有效地改善摩擦学性能,该工况可为进一步研究提供依据并便于实际应用.此外,转速是影响表面织构改善表面润滑性能的主要因素,试样在不同转速下具有不同的接触电阻阻值变化规律和不同的摩擦系数变化趋势.而在不同转速下,载荷的变化对表面摩擦性能的影响规律也具有明显的差异性.     

表面织构钛合金的干摩擦和全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构造不同凹坑直径和密度的织构图案,采用UMT摩擦磨损试验机考察了不同织构形貌钛合金在干摩擦及全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能,利用表面轮廓仪、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)对摩擦前后的表面形貌及磨痕成分进行观察分析.研究结果表明:干摩擦条件下,织构结构及其几何形貌显著影响凹坑容纳磨屑能力和表面接触应力,凹坑直径为200μm,织构密度为8.7%的钛合金表面减摩抗磨性能最好,与未织构相比其摩擦系数和磨损率分别降低了23.0%和39.7%,这主要由于凹坑可收集磨屑,减少第三体磨损;全氟聚醚油润滑条件下,表面织构影响流体润滑状态和摩擦表面金属氟化物生成,凹坑直径为200μm,织构密度为8.7%的表面具有更好的减摩抗磨效果,与未织构相比其摩擦系数和磨损率分别降低了17.4%和30.6%,这主要由于织构表面摩擦过程生成更多FeF_2,起到减摩抗磨作用.     

润湿性梯度对仿生织构表面摩擦学行为的影响

润湿性调控和仿生织构设计是实现表面减摩耐磨的重要方法.利用飞秒激光在AISI 440C不锈钢表面制备了仿生微凹坑,在微凹坑中沉积润湿性可调的超疏水涂层,通过紫外线辐照构筑了4种梯度润湿性仿生织构表面.采用往复滑动摩擦磨损试验,以水为润滑剂,对比研究了不同载荷和速度下润湿性梯度对仿生织构表面摩擦学行为的影响.结果表明,在低载高速条件下,当表面形成低黏附性超疏水-弱疏水的润湿性梯度时,耐磨性最佳,相较于AISI 440C不锈钢抛光表面,磨损率降低47.9%,说明润湿性梯度耦合仿生织构能够有效减小磨损.     

原子层沉积氧化铝薄膜摩擦学性能研究

不同温度条件下,采用原子层沉积(ALD)技术在单晶硅基底表面制备了Al2O3薄膜.利用原子力显微镜观察了Al2O3薄膜的表面形貌和粗糙度,利用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度,并通过UMT-2型往复摩擦磨损试验机(球-盘接触方式)考察了制备温度、载荷和对偶球对Al2O3薄膜的摩擦学性能的影响.结果表明:不同温度条件下制备得到的Al2O3薄膜的粗糙度不同;制备温度为100和200℃的Al2O3薄膜的摩擦性能较优;在所用载荷范围内,摩擦系数存在最低值;与不同对偶球对摩时,由于对偶球硬度不同,Al2O3薄膜呈现不同的摩擦磨损现象.     

氟化非晶碳基薄膜摩擦学行为对配副材料的依赖性

为了系统研究氟掺杂对非晶碳基薄膜摩擦学行为的影响,以C_2H_2和CF_4为气源,通过等离子体增强化学气相沉积方法制备不同F含量的非晶碳基薄膜.采用XPS、SEM、Raman光谱以及纳米压痕等技术测定薄膜的微观结构、化学组成和力学性能,利用球-盘式往复摩擦试验机评价薄膜与不同配副材料的摩擦磨损性能.结果显示:较低F含量并未显著影响薄膜与强碳黏着对偶Ti、WC和Si_3N_4的摩擦系数;少量F原子掺杂明显增加了薄膜与弱碳黏着对偶ZrO_2和Al_2O_3的摩擦系数;薄膜与GCr15对偶的摩擦系数随F含量增加而明显升高;高F含量导致薄膜与Cu对偶的摩擦系数产生明显波动,而导致薄膜与Al对偶的摩擦系数显著增加;值得注意的是,高F含量薄膜在不同体系中都表现出高摩擦低磨损的特点.高活性F原子与对偶材料的摩擦化学作用能够合理解释不同体系摩擦学行为.     

定子表面织构对超声电机性能的影响

针对超声电机摩擦材料磨损严重和温升高的问题,采用在定子表面加工微织构的方法,提高了电机机械特性并降低了摩擦材料磨损. 首先,用显微镜测量超声电机定子表面摩擦材料黏着区域,设计出三种不同密度的凹坑织构,采用激光的方法加工在定子表面;然后,测试超声电机负载特性、效率特性和温升特性并观察定子表面. 结果表明:3-凹坑织构定子电机空载转速最高,相比光滑定子电机高出12.1%,5-凹坑织构定子电机堵转转矩和最大效率最高,分别高于光滑定子电机13.04%和17.1%,同时电机的温升也有所降低. 通过观察定子表面发现,凹坑织构有大幅降低摩擦材料黏着的作用,这种作用可以增加电机接触界面能量转换效率,提高了电机的性能并降低了摩擦材料的磨损.      

葫芦形微凹坑对不锈钢表面摩擦学性能的影响

本文中利用皮秒激光系统对不锈钢表面进行织构化处理,通过Fluent有限元软件和UMT-2摩擦磨损试验机分析了非规则对称葫芦形织构表面的摩擦学性能,并与具有规则对称性的圆凹坑织构试样及光滑织构试样进行对比,同时利用S-3400 N扫描电镜观察试样表面的磨痕形貌.结果表明:润滑状态下葫芦形正方向织构试样的摩擦系数要明显低于圆凹坑织构试样及无织构光滑试样,葫芦形反方向织构试样的摩擦系数与圆凹坑织构试样相近.这主要是由于织构形状及润滑液流动方向对织构试样产生流体动压效应的影响较大.因此,在润滑液流动方向上,扩大织构自身形状的收敛区间可以强化织构的流体动压效应,这一结论将为进一步优化织构形状提供有力参考.     

激光表面织构对不同材料干摩擦特性的影响

采用环-块线接触摩擦磨损试验,研究了经激光处理后不同织构面密度的45钢和12Cr凹坑形织构试件的干摩擦磨损特性.借助高精度天平分析了试件磨损量,采用三维形貌仪和扫描电镜对试件表面形貌进行了分析.研究结果表明:激光表面织构化使得45钢试件表面形成可以改善摩擦性能的高硬度质点;在相同试验条件下,与无织构试件相比,45钢织构环试件磨损量明显降低,而12Cr织构环试件磨损量却有所升高;织构试件的磨损量在一定范围内随着织构面密度的增加而降低;激光织构化对摩擦系数的稳定值影响不大.     

离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜的构筑及其摩擦学性能的研究

分别采用激光织构、磁控溅射和浸渍-提拉技术在单晶硅片表面成功构筑了具有离子液体纳米薄膜的织构化类金刚石碳复合润滑薄膜,采用三维轮廓仪和SEM观察了织构化类金刚石碳表面,通过X射线光电子能谱证实了织构化类金刚石碳膜表面离子液体纳米薄膜的存在,并利用微摩擦试验机重点考察和理论分析了这种复合润滑薄膜在较大和微载荷下的摩擦学性能.研究结果表明:这种离子液体/织构化类金刚石碳复合润滑薄膜在微载荷下能够有效地缩短磨合时间、降低摩擦系数,然而其在小载荷下摩擦学性能欠佳.     

基于SSiC-M120D配副的不同表面形态构筑下磨损性能分析

采用激光加工织构化图案和热丝化学气相沉积法(CVD)的方式在无压烧结碳化硅(SSiC)表面制备了无织构金刚石薄膜(SSiC-D)和螺旋槽织构复合金刚石薄膜(SSiC-DC)试样.研究了SSiC-M120D配副在不同表面形态下的摩擦磨损性能,结合扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和拉曼光谱以及X射线衍射(XRD)分析其磨损机理.结果表明：镀金刚石薄膜使碳化硅试样摩擦表面的黏着磨损和磨粒磨损程度明显减少,试验后碳元素含量仍保持在90%以上,SSiC-D/M120D和SSiC-DC/M120D的摩擦系数显著降低,同时端面温度分别为64.3和61.2℃,较SSiC/M120D的161.2℃分别下降了60.11%和62.03%.试验后磨痕处的ID/IG仅分别为0.86和0.94,表面缺陷程度较小.采用螺旋槽织构复合金刚石薄膜配对方式的摩擦副SSiC-DC/M120D摩擦学性能最佳,微织构有利于散热和存储磨屑,可进一步减少表面黏着磨损,试验后的磨损率最低.     

织构化柱塞对压裂泵密封副的摩擦学性能影响

采用精密机械雕刻技术在压裂泵柱塞试样表面雕刻微凹坑阵列表面织构,利用MDW-100型微机控制立式万能摩擦磨损试验机对具有不同尺寸形状的微凹坑柱塞-丁晴橡胶密封试样进行摩擦磨损试验,研究了织构化柱塞试件与丁晴橡胶摩擦副在流体动压润滑条件下的润滑特性.结果表明:压裂泵柱塞试件表面合理织构组合可以显著地提高柱塞密封系统摩擦副的润滑和减摩性能,其中面积比为5.86%、均匀分布的圆柱形与条形混合凹坑织构是较优的,其摩擦副的摩擦系数、温升及磨损量相对于无织构试件分别降低了80%、90%及79.3%,且表面磨痕也显著低于无织构及其他织构组合的柱塞密封摩擦副.     

含氮类金刚石薄膜的力学和摩擦学性能的研究

利用脉冲等离子体增强化学气相沉积系统沉积了含氮类金刚石碳薄膜.利用X射线光电子能谱和红外光谱分析了薄膜的化学键状态,在UMT摩擦磨损试验机上考察了薄膜的摩擦学性能,利用扫描电子显微镜分析了摩擦对偶球表面的转移膜形貌.结果表明:随着薄膜中氮含量的增加,薄膜中的sp2C含量增加,硬度有所降低,薄膜的平均摩擦系数先减小后增加.     

盐雾腐蚀对DLC薄膜摩擦学性能的影响

利用中频磁控溅射法分别在304不锈钢、GCr15和9Cr18 3种不同基底上沉积了Ti掺杂的含氢DLC薄膜.并利用球-盘摩擦试验机考察了在中性盐雾试验条件下三种不同基底的DLC薄膜在经过不同时间盐雾试验后的摩擦学性能,同时分析讨论了盐雾试验后薄膜摩擦学性能产生变化的原因.结果表明:在中性盐雾试验条件下暴露不同时间后,样品的耐腐蚀性能与基底材料一致;盐雾试验后沉积在三种不同基底上的薄膜跑合时间均明显增大并且GCr15基底的薄膜增长最明显;盐雾试验前后304不锈钢基底薄膜的摩擦寿命几乎没有变化而GCr15和9Cr18基底的薄膜由于发生腐蚀其摩擦寿命大幅降低约50%.     

高承载高耐磨Cr3C2-NiCr/DLC复合涂层制备及摩擦学行为

采用超音速火焰喷涂(HVOF)和等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)技术制备Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层,对比研究其与单层DLC薄膜的微观结构、机械性能和不同载荷下的摩擦磨损行为.结果表明：Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层的结合力、承载力和摩擦学性能比单层DLC薄膜显著提高;HVOF制备的Cr₃C₂-NiCr中间承载层对表层DLC薄膜的微观结构和纳米硬度影响不大;Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层在高载下的优异摩擦学性能归因于避免了高接触应力下发生塑性变形而导致DLC薄膜在摩擦磨损过程中的脆性断裂和剥落失效行为.此外,在不同载荷下的摩擦过程中DLC薄膜和Cr₃C₂-NiCr/DLC复合涂层均未发生石墨化,其摩擦学行为主要取决于不同接触应力下的磨损机制变化和对偶球表面摩擦转移膜演化.     

外加直流电场对DLC/PAO固液复合润滑体系摩擦学行为的影响

本文中利用球-盘式载流摩擦试验机研究了DLC/PAO固液复合润滑体系在外加直流电场中的摩擦学行为,考察摩擦副滑动速度、加载电压以及回路电流的影响,结果表明:外加直流电场对复合润滑体系摩擦磨损行为的影响与摩擦副的滑动速度密切相关,这源于不同润滑状态时DLC薄膜的电气损伤行为以及薄膜的结构、成分变化.根据润滑状态和外加电压的不同,DLC薄膜的电气损伤可以表现为线状隆起或烧蚀坑,其中线状隆起型损伤源于载流摩擦界面的焦耳热,烧蚀坑损伤则源于摩擦对偶之间的拉弧放电及PAO油膜的击穿.Raman光谱显示电气损伤区DLC薄膜发生显著的石墨化转变,且石墨化程度取决于回路电流的大小.外加电场条件下DLC薄膜的石墨化转变虽然在一定条件下可使复合润滑体系的摩擦系数降低,但削弱了DLC薄膜的抗磨性能,使薄膜的磨损表现为电气损伤和机械磨损的耦合.     

高分子材料机械密封磨损特性及表面织构的影响

为提高金属/高分子材料机械密封的抗磨损性能,采用光刻-电解技术在316不锈钢表面制作微凹坑阵列形式的表面织构,与5种不同弹性模量的高分子材料组成摩擦副进行磨损试验.试验结果表明,对弹性模量最小的UHMWPE材料,表面织构起到了增磨作用,对其他四种弹性模量较高的材料,表面织构起到减磨作用,而且,随着高分子材料弹性模量的增大,表面织构表现出的减磨作用也随之增大.为解释这个现象,利用ANSYS有限元分析软件对摩擦副接触面进行了应力和变形分析,结果表明:织构化表面在接触过程中会产生应力集中和表面形变,材料的弹性模量越小,凹坑引起的变形越明显,可能产生的切削作用越显著.     

激光表面织构化对GCr15钢摩擦磨损性能的影响

本文利用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢样品表面进行了微坑织构化处理,考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电镜等对磨斑表面进行了分析.结果表明:与光滑面试样相比,经织构化处理的样品表面在干摩擦条件下虽然摩擦系数较高,但表现出了较好的抗磨性能;在贫油润滑条件下,织构面的摩擦系数与磨损均明显小于光滑面;在低载低速下较小孔径织构面摩擦系数较小,随着速度及载荷的增大,较大孔径织构面表现出更好的摩擦学性能.采用Stribeck曲线探讨了织构化表面与光滑面在贫油润滑下的润滑机理,结果表明织构面在试验条件下均保持油膜流体润滑状态.     

织构化表面NbSe2涂层的真空载流摩擦学行为

针对航天器滑动电接触部件特殊的真空载流服役要求,利用建立的真空载流摩擦试验平台,探索铜基材织构化表面喷涂NbSe₂涂层作为空间新型导电润滑材料的可能性.研究条状和网状不同织构以及各自在不同织构密度条件下喷涂NbSe₂涂层的真空载流摩擦学性能和影响作用规律;对比现役电镀金涂层,探讨其在真空载流条件下摩擦学和电接触行为优势.结果表明：网格状较条状织构表面喷涂NbSe₂涂层的载流摩擦学性能更好,而且随织构密度的增加,减摩耐磨性能得到提高.织构间距为200μm的网格状织构表面喷涂的NbSe₂涂层展现出最佳的真空载流摩擦学性能.相较于现役的金电镀层,其在真空载流摩擦条件下展现出更加优异的摩擦学和电接触性能,摩擦系数由0.25降至0.05,接触电压与现役材料处于同一量级,电噪音波动明显改善,由0.09V降至0.04V.