Ti掺杂类金刚石薄膜的制备及其高温摩擦学性能研究

为探究金属Ti掺杂DLC薄膜在高温环境下的摩擦磨损行为,通过射频磁控溅射和直流磁控溅射混合的沉积系统制备不同Ti含量的Ti-DLC薄膜,利用SEM、XRD、Raman、纳米压痕和摩擦试验机等分析Ti含量对Ti-DLC薄膜的微观结构、力学性能及不同温度下的摩擦学性能的影响。结果表明:Ti掺杂使得Ti-DLC薄膜中sp^(3)键的占比随着Ti含量的增加先升高后下降;Ti掺杂提高了Ti-DLC薄膜的硬度和弹性模量,并一定程度上提升了Ti-DLC薄膜的膜基结合力。摩擦测试表明:在常温下,Ti-DLC薄膜的摩擦因数和磨损率随Ti含量的增加而下降,但薄膜发生明显的磨粒磨损,且磨损率略高于DLC薄膜;Ti掺杂有效地提高了DLC薄膜的热稳定性和高温摩擦学性能,在300℃的高温下,掺杂薄膜仍维持较低的摩擦因数和磨损率。

喷丸对4Cr5Mo2V钢高温摩擦磨损性能的影响

对4Cr5Mo2V钢试样进行3道次复合喷丸,通过与未喷丸试样对比,研究了喷丸对试验钢表面形貌、显微组织、硬度、残余应力以及高温(100,300,500℃)摩擦磨损性能和机制的影响。结果表明:喷丸处理显著提高了试验钢表面粗糙度,使试验钢表面形成了明显的塑性变形层、硬化层与残余压应力层;在100,300,500℃下,与喷丸前相比,喷丸后试验钢的磨损率分别降低了41.8%,17.1%,63.3%,耐磨性能的提高与喷丸产生的硬化层和残余压应力层有关。在100,300℃下,喷丸前后试验钢的磨损机制均主要为黏着磨损和磨粒磨损,而当温度升高至500℃时,磨损机制为氧化磨损,喷丸试验钢仍能保持较高的硬度与残余压应力,同时表面氧化层更致密稳定,仅发生轻微氧化磨损。

HVOF喷涂CoCrWSi和Stellite-6涂层的结构与高温摩擦学性能研究

目的提高F92耐热钢基体在600、630℃下的高温耐磨性能。方法采用超音速火焰喷涂方法(High velocity oxy-fuel,HVOF)在F92表面制备CoCrWSi、Stellite-6两种涂层,利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)分析涂层的表面、截面形貌和物相组成,通过显微维氏硬度计(HV-1000STA)、高温摩擦磨损试验机(UMT-TRIBOLAB)、二维轮廓仪(TencorD-100)测定其显微硬度、高温摩擦学性能和磨痕体积。结果采用超音速火焰喷涂技术制备的CoCrWSi、Stellite-6两种涂层表面较平整,与基体结合紧密,内部组织均匀无裂纹,涂层的厚度约为200μm。XRD分析表明,CoCrWSi、Stellite-6涂层在室温下的物相都由γ(Co)、Cr_(7)C_(3)、CrSi_(2)组成。硬度及耐磨性能测试显示,CoCrWSi、Stellite-6涂层的维氏硬度相较于F92基体分别提高了3.12、2.68倍,F92耐热钢在600、630℃时的平均摩擦因数分别为0.87、0.86,体积磨损率分别为0.49×10^(-4)、1.11×10^(-4)mm^(3)/(N·m),其磨损机理主要为疲劳磨损、黏着磨损、氧化磨损。相较于基体,CoCrWSi涂层在2种温度下的平均摩擦因数分别降低了68%、71%,约为0.28、0.25,体积磨损率分别降低了约95%、97%,为0.20×10^(-5)、0.30×10^(-5)mm^(3)/(N·m),这主要归功于内部的Cr2O3、γ(Co)、Co_(3)O_(4)相在高温摩擦过程中具有良好的润滑效果。Stellite-6涂层也能在一定程度上改善基体的高温耐磨性能,其平均摩擦因数为0.85、0.71,体积磨损率为0.32×10^(-4)、0.57×10^(-4)mm^(3)/(N·m)。2种涂层的主要磨损机理均为磨粒磨损和黏着磨损。结论采用超音速火焰喷涂制备的CoCrWSi、Stellite-6涂层可以改善F92耐热钢在600、630℃下的耐高温滑动磨损性能,且CoCrWSi涂层的防护效果更佳。

化学气相沉积陶瓷薄膜高温摩擦磨损性能研究

目的对比研究不同陶瓷薄膜的耐高温磨损性能。方法采用化学气相沉积工艺制备了TiN/TiCN、TiN/Al_(2)O_(3)、TiN/TiCN/Al_(2)O_(3)3种陶瓷薄膜。通过划痕测试、显微硬度测试、高温摩擦磨损试验等测试方法,分别表征并评价3种陶瓷薄膜的附着力、硬度、耐600℃高温磨损性能,并通过扫描电子显微镜和光学显微镜对磨痕形貌进行分析。结果化学气相沉积制备的3种陶瓷薄膜结构致密,无孔隙、裂纹等缺陷,且与基材结合界面良好,其中,TiN/TiCN/Al_(2)O_(3)多层薄膜与基体结合力最佳,为68.53 N,但其表层Al_(2)O_(3)薄膜与中间层TiCN薄膜结合强度较弱。600℃高温摩擦磨损结果表明,TiN/Al_(2)O_(3)薄膜具有最高的高温摩擦因数,平均为0.51,但其耐高温磨损性能最佳,体积磨损率为0.58×10^(‒5)mm^(3)/(N·m);而TiN/TiCN薄膜具有最低的高温摩擦因数,平均为0.37,但其耐高温磨损性能最差,体积磨损率为4.23×10^(‒5) mm^(3)/(N·m)。结论3种陶瓷薄膜高温摩擦磨损的主要损伤形式各异,TiN/TiCN薄膜的主要磨损机制为黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损,TiN/Al_(2)O_(3)薄膜的主要磨损机制为磨粒磨损,TiN/TiCN/Al_(2)O_(3)多层薄膜的主要磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。TiN/Al_(2)O_(3)薄膜的耐高温磨损性能最佳是由于其硬度较高,且化学性质稳定,主要磨损形式为磨粒磨损,较难被磨损去除。而TiN/TiCN薄膜耐高温磨损性能最差是由于TiCN薄膜硬度较低,在高温摩擦作用下,会发生氧化磨损、黏着磨损、疲劳磨损等多种损伤形式。

纺织钢领用类金刚石涂层的高温摩擦性能分析

为了研究纺织钢领用类金刚石涂层(DLC)的高温摩擦性能,采用低温PVD涂层技术在高碳钢表面沉积制备DLC涂层。借助扫描电镜观察DLC涂层的表面形貌;通过X射线光电子能谱仪测试、能谱仪和拉曼光谱仪分析DLC涂层的结构成分;使用划痕试验机测试涂层的力学性能。利用高温摩擦磨损试验机测试涂层在不同温度下的摩擦性能。结果表明:GCr15试样与钢球配副的平均摩擦系数随着温度的升高而增大,最大值达到0.88。其中,钢球配副的磨损体积呈现出相同的变化趋势,最大磨损体积为2.88×10^(−3)mm^(3)。沉积DLC涂层之后,摩擦副的平均摩擦系数表现出先增大后降低的趋势。当测试温度为25℃时,涂层试样平均摩擦系数为0.033,且钢球磨损体积最低达到3.87×10^(−6)mm^(3);测试温度上升至100℃时,平均摩擦系数值增大至0.212;随着测试温度进一步升高,平均摩擦系数降低至0.088。未沉积涂层的试样在摩擦过程中产生的高温使得界面形成大量氧化物颗粒,加剧磨损程度;而涂层试样在测试温度高于涂层石墨化程度时,涂层摩擦界面产生石墨化转变并形成以碳元素为主的转移层,发挥固体润滑介质的作用,最终导致摩擦系数降低。

Nb对H13钢高温摩擦磨损性能的影响

在不同温度下,采用高温摩擦磨损试验机对不同Nb含量的H13热作模具钢进行了摩擦磨损试验,利用扫描电镜(SEM)、显微硬度计、白光干涉仪、背散射电子衍射和能谱仪等研究了试验钢的磨损表面及截面形貌和硬度,并分析了Nb含量对试验钢高温磨损性能及磨损机制的影响。结果表明:相同试验温度下,随Nb含量增加,试验钢的摩擦系数降低,在500℃时达到最低值;随Nb含量的增加,试验钢磨损率逐渐降低,耐磨性逐渐提高。Nb的加入对试验钢表面软化层的硬度下降有一定抑制作用,对氧化层的支撑作用增强,氧化层剥落机率降低,耐磨性提高。不同Nb含量的H13钢的磨损机理主要是氧化磨损。

Inconel 718合金表面纳米多层CrAlN/CrN涂层的制备及高温摩擦学性能研究

为提高Inconel 718合金的表面硬度和高温摩擦磨损性能,采用多弧离子镀技术在其表面制备CrAlN/CrN涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪和划痕仪等对涂层的微观结构、力学性能进行分析表征。使用UMT摩擦磨损试验机测试涂层在室温、350℃和650℃下的摩擦性能,并对磨痕的形貌特征、元素分布和物相进行分析,分析涂层在不同温度下的摩擦磨损机制。结果表明:纳米多层CrAlN/CrN涂层微观结构致密,主要由fcc-CrN相组成,择优取向为(200)晶面;CrAlN/CrN涂层在Inconel 718合金表面具有良好的力学性能,其硬度和结合力分别为(29.3±1.2)GPa和70.4 N;涂层在室温和350℃下具有优异的耐磨性,磨损率分别低至1.5×10^(-6)mm^(3)/(N·m)和1.7×10^(-6)mm^(3)/(N·m),主导的磨损机制分别为磨粒磨损和疲劳磨损;650℃时涂层达到最低摩擦系数(0.33),但磨损率有所升高,主要表现为磨粒磨损。

激光熔覆FeCoCrNi系高熵合金涂层的组织及高温摩擦学性能

高熵合金涂层在提高不锈钢基材的耐磨性方面具有巨大的潜力。为探究Cu/Si两种元素掺杂对FeCoCrNi高熵合金涂层组织及高温摩擦学性能的影响,采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备出FeCoCrNiCu_(x)和FeCoCrNiSi_(x)系列高熵合金涂层。采用XRD,SEM,EDS等手段表征了涂层的微观组织及物相分布,通过高温摩擦磨损试验机测试了涂层的高温摩擦学性能。结果表明:在合适的激光熔覆工艺参数下,FeCoCrNiCu_(x)和FeCoCrNiSi_(x)高熵合金涂层均形成了单一的FCC型固溶体,与基体呈良好的冶金结合;Cu元素的加入降低了FeCoCrNi涂层表面硬度,但由于涂层热导率提高,界面结合情况改善;Si元素的加入促进了晶粒细化,提高了涂层表面硬度;在600℃下,Cu/Si元素的加入对涂层的摩擦学性能均有明显改善,其中FeCoCrNiCu及FeCoCrNiSi涂层的摩擦因数分别为0.24和0.19,磨损率分别为1.58×10^(-4)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1)和6.77×10^(-5)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1),相比于FeCoCrNi涂层分别降低了56.1%和81.9%。FeCoCrNiCu涂层主要磨损机制为氧化磨损、疲劳磨损及轻微磨粒磨损,而FeCoCrNiSi涂层为氧化磨损。

超音速火焰喷涂WC-12Co涂层的高温摩擦磨损性能

WC-Co-Cr是一类具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀的金属陶瓷复合涂层材料,常用于工业生产中苛刻服役环境的工件表面防护。本试验采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术在Q235钢表面分别制备了WC-12Co-4Cr和WC-12Co复合涂层。使用XRD、光学显微镜、SEM以及附带的EDS、显微硬度计分别对比研究了两组涂层的物相、微观形貌、元素分布、显微硬度和孔隙率。采用球盘式摩擦试验机重点研究两组涂层在常温(25℃)、300℃、600℃下的摩擦磨损性能。实验结果表明,加入Cr元素的WC-12Co-4Cr复合涂层的硬度为1050 HV_(0.5)比WC-12Co涂层的995 HV_(0.5)更高。常温和300℃下两组涂层的抗摩擦磨损性能基本相似,其中常温下WC-12Co-4Cr复合涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.4、2.61×10^(-17) m^(3) (N·m)^(-1),磨损机制为磨粒磨损。而在高温(600℃)条件下磨损机制转变为粘着磨损且抗磨损性能显著优于WC-12Co涂层;摩擦系数为0.62、磨损率为1.1×10^(-15) m^(3)(N·m)^(-1),相同条件下的WC-12Co涂层磨损率为7.2×10^(-15) m^(3) (N·m)^(-1)。

挤压铸造(SiC_(w)+CNTs)/2024Al复合材料高温摩擦磨损性能

铝基复合材料因具有低密度、高硬度、高强度以及耐磨损等特点,是制备轻量化制动零部件的理想材料。本研究采用挤压铸造法和热挤压工艺制备了具有优异耐磨性的(SiC_(w)+CNTs)/2024Al复合材料。利用干滑动摩擦磨损实验研究了复合材料在高温条件(200℃)不同载荷(5~20N)下的耐磨性。研究表明,相较于2024Al,复合材料在高温低载荷条件下具有高且稳定的摩擦系数以及低的磨损率,而在高载荷条件下,其摩擦系数显著降低且出现明显的波动。通过增加载荷使得SiC_(w)和CNTs被拔出,CNTs自润滑能力及硬质SiC_(w)的表面强化作用得到充分发挥,大幅度降低了材料的摩擦系数。高温下2024Al被软化,发生粘着磨损,而复合材料中混杂增强体的存在有效提高了材料的高温耐磨性。

钛合金表面等离子喷涂Al_(2)O_(3)-40%TiO_(2)陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能

目的研究温度对钛合金表面Al_(2)O_(3)-40%TiO_(2)陶瓷涂层摩擦磨损性能的影响,探讨涂层在高温下的摩擦磨损机理。方法采用大气等离子喷涂技术(APS)在TC4钛合金表面制备Al_(2)O_(3)-40%TiO_(2)(AT40)陶瓷涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)和能量分散谱仪(EDS),对AT40陶瓷涂层中的微观形貌和物相进行定性分析。借助维氏显微硬度计,研究AT40陶瓷涂层在常温下的截面显微硬度分布规律,以及高温下的显微硬度。采用多功能摩擦磨损试验机,测试AT40陶瓷涂层在200、350、500℃下的摩擦磨损性能,并进行原位在线自动3D形貌表征。结果AT40陶瓷涂层呈典型的热喷涂层状结构,各相分布均匀,涂层结构致密,平均显微硬度相较于TC4钛合金基材提高了81%。AT40陶瓷涂层在200、350、500℃下的高温硬度分别为513HV0.3、463HV0.3、448HV0.3。在200、350℃时,AT40陶瓷涂层的平均摩擦系数分别为0.18±0.02和0.38±0.03,磨损率分别为(7.8±0.01)×10^(–5)mm^(3)/(N·m)和(37.2±0.01)×10^(–5)mm^(3)/(N·m),涂层具有优异的抗高温摩擦磨损性能。500℃时,涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.77±0.02和(134.4±0.01)×10^(–5)mm^(3)/(N·m),磨痕深度和磨损体积大幅增加,耐磨性能降低。结论AT40陶瓷涂层在200℃和350℃的磨损机制主要为微区脆性断裂,在500℃时的磨损机制表现为裂纹扩展引起的分层剥落和轻微磨料磨损。

银吡唑甲基吡啶配合物复合润滑油添加剂的高温摩擦学性能研究与曲线拟合

针对高温下润滑油性能突变失效问题,为实现一定温度范围内润滑材料的持续润滑,本文作者开展了突变工况自适应的润滑添加剂设计方法研究,制备了系列润滑机理相同而理化特性不同的高温自适应银吡唑甲基吡啶配合物,设计了适应即时润滑状态的添加剂配比策略,利用四球摩擦磨损试验机研究复合润滑油添加剂的减摩抗磨性能,研究结果表明,与仅含单个配合物的润滑油相比,配比后的润滑油稳定性能更好,能够在不同的温度下持续分解输送银微粒,保证在宽温度范围内的持续低摩擦,具有更优异的自修复能力与润滑性能.通过多种表征手段对其磨损机理进行分析,发现在配合物1的层状结构与配合物2的小尺寸效应的影响下,配合物3在摩擦过程中对接触表面的磨损能够得到有效抑制,表明配合物3与配合物1、2之间存在良好的抗磨协同效应,配合物1、2之间在范德华力的作用下并没有发挥理想的润滑效果.基于系列含银配合物的热重分析结果,通过拟合复合润滑油添加剂的摩擦系数与温度的关系曲线,推导出含银系列配合物的配比方程,并通过Matlab对经验公式提出修正,确定了复合润滑油添加剂的最佳配比为1.0:1.0:0.5,掌握了在持续升温过程中配合物在润滑油中的分解效率,进一步证明了配比后的润滑油银释放效率提升,更适宜用作突变工况下的后备润滑油添加剂.研究结果可为后续润滑油释放润滑材料的润滑效果调控方法设计提供数据支撑和理论指导.

表面修饰硼酸钾作为船用气缸润滑油添加剂的高温摩擦学性能

以月桂酸钠和十六烷基三甲基溴化铵为复配型修饰剂,采用等离子体辅助球磨法制备表面修饰硼酸钾润滑添加剂,通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)及同步热分析仪(DSC-TG)对添加剂进行表征分析,研究其在低碱值船用气缸油中的高温摩擦学性能,并讨论其减摩自修复机制。结果表明:在等离子体热效应和钢球机械研磨的耦合作用下,等离子体辅助球磨10 h的硼酸钾粉体和修饰剂被微区熔融并快速细化,获得的一次颗粒平均粒径在100~300 nm之间。通过修饰剂中离子对的化学作用,硼酸钾粉体表面吸附并化学键合—CH_(2),—CH_(3)有机分子基团,实现粉体的亲油化改性,并保障在FEOCY 54低碱值船用气缸油中的分散性。在摩擦过程中,硼酸钾微粒在电荷作用下不断吸附沉积到摩擦表面,在金属接触区域形成滚动润滑及抗磨沉积膜,同时摩擦表面与硼酸钾粉体发生摩擦化学反应生成Fe_(2)O_(3),Fe_(3)O_(4),B_(2)O_(3)极具减摩抗磨作用的边界润滑膜,明显提高船用气缸油的高温摩擦学性能。

高温摩擦装置的研制

本文叙述了高温摩擦装置的工作原理，设计思想及结构，给示了一些实验数据。

一种模拟热成形工况的高温摩擦试验机的设计及探讨

销-盘摩擦试验机是摩擦学领域的标准摩擦实验设备,但是面对热成形过程中的摩擦过程,销-盘摩擦试验机中的往复摩擦引起磨屑在轨道内快速堆积,与热成形实际工况并不一致。提出一种新的高温滑移摩擦试验机设计方案,该方案控制模具钢销在板料滑条上单向长距离滑移,用以实现对连续热成形摩擦过程的模拟。通过分析销-盘摩擦试验机和高温滑移摩擦试验机的实验结果,发现后者的实验过程更接近热成形的实际工况,利于展开对摩擦磨损机制的定性定量分析。

石墨对铜基自润滑材料高温摩擦磨损性能的影响

通过基体多元合金化和选用不同粒度的石墨颗粒,采用常规粉末冶金方法制备了铜基石墨固体自润滑材料,在大越式OAT-U型摩擦磨损试验机上考察了复合材料从室温到500℃温度条件下的摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌,进而探讨其摩擦磨损机理.结果表明:在室温条件下,石墨颗粒越小,则复合材料的摩擦系数越小,减摩自润滑效果越好;在室温至500℃条件下,选用合适的石墨粒度(0.3～0.5mm)和多元基体合金化,可使铜基石墨固体自润滑材料保持较好的自润滑特性.

等离子喷涂制备WC-Co-Cu-BaF_2/CaF_2自润滑耐磨涂层及其高温摩擦性能

通过大气等离子喷涂方法,使用自制的含有WC-Co、Cu和BaF2/CaF2共晶体的复合喷涂粉末,制备出WC-Co-Cu-BaF2/CaF2自润滑耐磨涂层。在200℃、400℃和600℃下进行WC-Co-Cu-BaF2/CaF2涂层和WC-Co涂层的高温摩擦试验,用扫描电镜观察涂层磨损表面微观形貌。结果表明:200℃时,由于WC-Co-Cu-BaF2/CaF2涂层摩擦产物层中含有的WC硬质颗粒引起磨粒磨损,该涂层摩擦因数和磨损率相对较高。而400℃和600℃时,WC-Co-Cu-BaF2/CaF2涂层的摩擦产物层中均无WC颗粒存在,且由于涂层中Cu和BaF2/CaF2等固体润滑剂的作用,生成的摩擦产物层光滑且致密,涂层的摩擦因数和磨损率均较低,在400～600℃下表现出比WC-Co涂层优异的耐磨性能。

电弧离子镀TiAlN和TiAlSiN涂层的高温摩擦磨损行为

采用电弧离子镀技术在高速钢和单晶硅上沉积TiAlN和TiAlSiN涂层,利用高温摩擦磨损试验机考察两种涂层在常温、400℃和600℃下的摩擦磨损行为。通过光学轮廓仪观察涂层磨损后三维形貌和二维磨痕轮廓曲线,利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析磨痕、摩擦副的微观形貌以及元素分布,研究Si元素的加入对TiAlN涂层高温摩擦磨损性能的影响。结果表明:TiAlN、TiAlSiN涂层在600℃摩擦稳定后的摩擦因数最低,其次是在400℃,常温下的摩擦因数最高;TiAlN涂层在常温下摩擦完后已经磨穿失效,而TiAlSiN涂层在600℃摩擦完后才失效。粘着磨损和氧化磨损主要存在于TiAlN涂层摩擦过程中,TiAlSiN涂层常温下主要磨损形式为磨粒磨损、粘着磨损以及塑性变形导致的鱼鳞状裂纹,400℃下为粘着磨损和氧化磨损,600℃下为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。

阴极弧离子镀制备AlCrN涂层的高温摩擦磨损行为

采用阴极离子镀在TiC金属陶瓷刀具表面制备了AlCrN涂层,采用球/平面接触方式考察了900℃高温时不同载荷作下涂层的摩擦磨损行为。通过扫描电镜观察了磨痕轮廓和微观形貌,并用能量散射谱和X射线衍射分析了磨损后涂层表面化学元素和物相的变化,讨论了载荷对涂层摩擦因数和磨损性的影响。结果表明,经900℃高温氧化后,涂层中N元素全部释放,形成Al和Cr的氧化物,改善了润滑性能和磨损性能;在载荷600,800和1000 g作用下,涂层摩擦因数平均值分别为0.1455,0.3939,0.4188,在载荷600 g时表现出优良的摩擦特性,适用于精密切削加工;在高温下AlCrN涂层表现为氧化磨损,同时伴随着少量的磨粒磨损和黏着磨损。

两种镍基合金的高温摩擦学性能研究

利用热压烧结工艺制备了 Ni- Cr和 Ni- Cr- S合金 ,分析了其显微组织 ,并考察了 2种镍基合金在室温至 60 0℃范围内同 Co- WC对摩时的摩擦学性能 .研究结果表明 :Ni- Cr合金的显微组织比较均匀 ,Ni- Cr- S合金的组织由 Ni( Cr)固溶体基体和树枝状的铬的硫化物构成 ;Ni- Cr合金在室温时的磨损机理为磨粒磨损 ,而在高温下以粘着磨损和塑性变形为主 ;Ni- Cr- S合金与 Co-