HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层在模拟海水钻井液中的腐蚀和磨损性能研究

目的提高钻具关键易损零部件在海洋钻探实际应用中的耐腐蚀和磨损性能。方法采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)制备AlCoCrFeNi高熵合金涂层。使用电化学工作站对涂层和35CrMo钢基体(常用的钻具材料)进行电化学测试,电化学测试包括动电位极化曲线测试和电化学阻抗谱(EIS)测试。采用摩擦磨损试验机对涂层在模拟海水钻井液中不同载荷和不同滑动速度下的磨损行为进行研究。采用扫描电子显微镜及X射线能谱仪对磨痕表面微观形貌及成分进行分析,利用三维白光干涉形貌仪测量涂层的磨痕三维形貌及磨损体积。结果HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层在模拟海水钻井液中的耐腐蚀性优于35CrMo钢基体,可以起到有效的腐蚀防护作用。相同条件下,AlCoCrFeNi高熵合金涂层的耐磨性优于35CrMo钢基体。在滑动摩擦磨损过程中,随着载荷及滑动速度的增大,涂层的平均摩擦系数和磨损率均增大,且涂层的磨粒磨损程度加重。当载荷为6 N时,涂层发生疲劳磨损;当滑动速度为0.15 m/s时,涂层出现粘着磨损。模拟海水钻井液对涂层磨损性能的影响可以分为2个方面。一方面可以起到润滑作用,模拟海水钻井液显著改善了涂层的摩擦磨损性能,降低了涂层的平均摩擦系数和磨损率;另一方面是腐蚀作用,涂层被腐蚀形成点蚀坑,点蚀现象会加剧涂层的磨损。结论HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层在模拟海水钻井液中具有优异的耐磨耐腐蚀性能,可以有效减轻工件在模拟海水钻井液中的腐蚀和磨损,有望应用于钻具关键易损零部件在海洋钻探实际应用中的表面防护。

激光表面织构化与固体润滑技术复合处理改善表面摩擦学性能的研究现状

激光表面织构化技术(LST)具有加工速度快、对环境无污染并且可以实现加工图案尺寸和形状的精确控制等优点,可以有效改善表面的摩擦学性能。通过将激光表面织构化技术与固体润滑复合处理,可以起到"1+1>2"的协同作用,从而使得基体材料的表面摩擦学性能达到进一步的优化。对国内外LST与不同的固体润滑技术复合处理的研究现状进行了综述。系统归纳了表面织构的几何形状、尺寸、密度等对不同固体润滑材料寿命的影响,分析了二者协同润滑效应的机理,并对LST与固体润滑技术复合处理的发展方向进行了展望。

纳秒激光制备Fe基非晶合金涂层表面织构的疏水性研究

利用冷喷涂技术在35CrMo钢基体上制备了Fe-Cr-Mo-C-B-Y体系非晶涂层,通过纳秒脉冲激光构造了规则排布的乳突、点阵和凹槽结构。结果表明:涂层的表面特征随激光织构的结构及间距的变化而变化。高通量脉冲激光作用下,涂层表面沿激光路径产生更大的凸起物,同时在凸起物上覆盖着由熔融粒子飞溅形成的颗粒物。织构表面同时存在织构、颗粒物、抛光表面三种结构。经过激光加工处理后的涂层表面具有优异的疏水性,与去离子水和钻井液的接触角分别提升至(151.6±0.3)°和(145.9±0.4)°。随着点阵及凹槽织构间距的增加,涂层表面的润湿性从超疏水转向疏水,在间距最大时转变为亲水;乳突织构的间距变化对疏水性影响较小,即使间距增大到300μm时涂层表面依旧能保持疏水性;同时涂层表面表现出疏水稳定性及低粘附性。

高导热涂层制备及其性能研究进展

随着高集成技术、微电子封装技术、大功率LED技术以及超级计算机的迅猛发展,小型化、微型化与轻薄化成为现代及未来电子设备、电子电路的发展潮流,因此对散热要求越来越高。目前电子器件及设备主要应用导热硅脂、导热硅胶及复合材料来实现散热。若在器件及设备上制备一层具有高热导率、耐腐蚀、结合强度良好的导热涂层,可以更好地实现散热。从高导热涂层的应用背景及导热涂层的特点出发,阐述了制备方法和材料体系不同的三大类高导热涂层,重点介绍了以喷涂技术、磁控溅射技术、涂料技术制备高导热涂层的研究进展。对比这几种导热涂层制备技术可以发现,因为空气是热的不良导体,基于冷喷涂技术制备的涂层孔隙率低的特点,加之对涂层进行热处理后会更加致密,所以冷喷涂技术制备的导热涂层具有较高的热导率。但目前的喷涂粉末具有导电性,因此喷涂在电路及电器设备上应用还不够成熟。基于冷喷涂技术制备绝缘、高导热涂层,提高器件设备的导热性能,还有待进一步探索。

热界面材料可靠性能研究进展

热界面材料(TIM)主要作用是填补芯片与散热器之间的孔隙缺陷,建立热传导通路,提升电子器件散热性能。现有的大多研究都是以探寻TIM的高导热性能以及优异的力学性能为主,往往忽略了TIM可靠性能的重要性。文中综述了近年来对TIM可靠性能研究发展现状,主要分析了导热填料、基体材料和生产工艺三方面对TIM可靠性能的影响,包括导热填料的种类及复配方式、硅油的种类及黏度、交联密度及反应速率、原材料的预处理、原材料存储环境及加工方式等,并提出了有效提升TIM可靠性能的解决办法,最后对TIM未来的研究方向提出了一些可行的建议。

碳基填料填充型热界面材料的研究现状

芯片的集成化和高功率化使其运行过程中热量激增。为了保障设备正常运行,导热性能优异的热界面材料非常关键。对于填充型热界面材料而言,填料的导热性能直接影响整体的导热性能。碳材料动辄上千的导热系数若是可以实现有效应用,对电子行业的发展有着举足轻重的作用。但由于碳基填料几乎都存在难分散、难填充和导热方向性的特点,使得碳基热界面材料的开发和应用存在难点。文中系统介绍了填充型热界面材料的导热机理和碳基填料的影响,重点综述了国内外学者在碳基填料官能化、协同强化、预制碳基骨架和碳基填料定向处理这些有望制备高性能热界面材料的先进技术上的优势和特点,并对这一热门领域未来发展的机遇与挑战进行了展望。

激光织构对Fe基非晶合金涂层润湿性的影响研究

为提高页岩油气钻进过程中钻头表面的耐磨性能及防泥包性能,采用冷喷涂(CS)和超音速火焰喷涂(HVAF)技术在35CrMo钢基体上制备了Fe_(48)Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_(6)Y_(2)非晶合金涂层,并利用紫外激光制备了涂层的疏水表面,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)测试分析了涂层的微观结构和力学性能,利用接触角测量仪表征涂层的润湿性,并分析其润湿机理。结果表明:利用CS技术制备的Fe基非晶合金涂层结构更加致密,非晶质量分数达到90%,且具有更好的热稳定性。激光过程中的熔融物快速冷却在涂层表面形成纳米尺寸级别的凝结物以及团聚物形成微纳复合结构,在激光扫描次数为7次时,CS涂层表面水接触角最高,具有良好的疏水性。

PCBN刀具切削性能和磨损机理研究综述

聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具是继聚晶金刚石刀具之后的又一种超硬刀具,以其独特的“以车代磨”、“硬态加工”、“干式切削”等方式被誉为21世纪的绿色环保刀具。PCBN刀具在金属切削方面具有广泛的应用,主要用来加工各种淬硬钢、耐磨铸铁等铁基材料。本文介绍了PCBN刀具成分、几何形状、切削参数等对其切削性能的影响,在此基础上分析了不同材料加工时刀具的主要磨损机理,还简单对比了硬质合金和PCBN刀具切削性能上的差异。

钻具切割用聚晶立方氮化硼刀具的摩擦学研究

在钻探工程中遇到孔内事故时,经常采用割刀来切割事故钻具,然而在切割事故钻具的同时也会涉及到切割周边岩石的问题。本研究针对刀具切割岩石的复杂工况条件,设计了不同退火温度下的聚晶立方氮化硼(Poly⁃crystalline Cubic Boron Nitride Compact,简称PCBN)复合片对磨Si3N4球的摩擦磨损试验,采用了光学显微镜和X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)等表征方法,分析了退火温度对PCBN的影响和PCBN对磨Si3N4球的摩擦学行为。结果表明:高于800℃退火处理,PCBN粘结剂氧化生成TiO2。当800℃退火的PCBN对磨Si3N4球时,出现轻微的粘着磨损;900℃退火的PCBN对磨Si3N4球时,粘着磨损现象加重;然而,1000℃退火处理后,磨痕处磨粒磨损和粘着磨损共存。且PCBN对磨Si3N4球时,摩擦系数与退火温度有关。

激光选区熔化制备外太空轻质钻具的研究进展

近年来,外太空钻采受到越来越多的关注,随着外太空研究的不断深入,外太空运载的高成本和运载能力的限制,制约了外太空钻探的发展,亟待轻量化的钻探设备来突破瓶颈。激光选区熔化技术的出现为轻量化结构的发展提供了理想的途径,可用于外太空轻质钻具的研究制造。文章综述了航天领域对于轻量化的要求以及轻量化装备的研究现状,对激光选区熔化技术特点进行了总结和概括并指出其在轻量化结构制造中的优势,以取样钻头为例阐述了外太空钻探装备的研究现状,提出利用激光选区熔化制备外太空轻质钻具,并从轻量点阵结构出发对激光选区熔化技术制备外太空轻质钻具的可行性进行了分析。

稀有矿物异极矿的人工合成研究进展

异极矿因具有较高的热释电系数和低的介电常数,可以作为一种传感器材料应用于温度测量、红外光谱测量和催化中。然而天然异极矿成分复杂,存在类质同像替代现象和共生矿物,限制了其热释电机理分析及实际应用,因此,人们开始利用不同的合成方法探索异极矿的人工合成。本文结合目前异极矿的研究现状,综合分析了异极矿所具有的物理性能、人工合成方法及目前存在的问题,以期为后续合成成分简单的异极矿单晶、研究其热释电性产生的机理以及性能调控提供重要参考。

应用于月壤取样钻具的激光选区熔化研究综述

综述了月球钻探取样钻具的发展现状,金属三维点阵的轻量化以及激光选区熔化制造技术的基本方法和优势。基于激光选区熔化制备技术提出了将三维空间点阵结构应用于月球钻探取样钻具的轻量化,讨论了点阵结构的钻具对于月球钻进过程的适应性并展望了轻量化月球取样钻具方面的发展趋势。分析认为,利用激光选区熔化技术制备的三维点阵结构在月壤取样钻具方面具有很大的应用潜力。

SPS制备铜基稀土发光复合材料的微观组织及摩擦学性能

以(Ca,Sr)AlSiN_(3):Eu^(2+)荧光粉和铜粉为原料,利用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了铜基稀土发光复合材料.采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、荧光显微镜、显微硬度计、纳米压痕仪以及磨损试验机等研究了(Ca,Sr)AlSiN_(3):Eu^(2+)含量对铜基复合材料微观组织、物相结构、发光性能、微纳力学性能及摩擦学行为的影响.结果表明:适量(Ca,Sr)AlSiN_(3):Eu^(2+)的掺入能够细化铜基质相晶粒,从而提高复合材料硬度与耐磨性.当荧光粉掺入的质量分数为5%时,复合材料拥有较高的硬度和最佳的耐磨性;过量的荧光粉会降低材料致密度和组织均匀性,从而导致复合材料硬度和耐磨性下降.

耐磨耐蚀高熵合金涂层性能研究进展

高熵合金涂层具有优异的耐磨损和耐腐蚀性能,可以作为矿采冶金、能源电力、海洋工程等领域极端工况下零部件的强化防护涂层,具有广阔的应用前景。本文首先综述了高熵合金涂层不同制备方法的原理及工艺参数对高熵合金涂层微观组织和性能的影响,其次概述了耐磨耐蚀高熵合金涂层中各主元素的作用、相结构以及元素含量对其耐磨耐蚀性能的影响机制,论述了后处理方式对高熵合金涂层耐磨耐蚀性的影响规律,最后展望了高熵合金涂层在耐磨损耐腐蚀领域的应用前景及发展趋势。

磨料条件下DLC复合微织构表面的磨损机理

钛及其合金具有优良的性能被广泛应用于武器装备领域,但在磨料条件下易黏着、不耐磨的特性限制了其使用。为了提高钛在磨料作用下的减摩抗磨性能,以TA2钛为研究对象,使用激光加工技术在TA2样品表面上制备点阵微织构,然后采用磁控溅射技术在点阵微织构表面制备类金刚石碳(Diamond-like Carbon,DLC)薄膜,形成DLC复合微织构;采用MS-T3000摩擦磨损试验机研究了DLC复合微织构表面在磨料作用下的摩擦磨损性能,并通过扫描电子显微镜、能谱分析、拉曼测试、有限元分析等手段研究钛表面DLC复合微织构的摩擦磨损机理。结果显示DLC复合微织构表面可有效提高钛在磨料条件下的减摩抗磨性能,且同等条件下,点阵密度对DLC复合微织构样品表面摩擦因数的影响最大,单位面积点阵边缘密度值与样品表面磨损率有关,且二者基本呈正线性关系。揭示了DLC复合微织构在磨粒磨损条件下的摩擦磨损性能,并从织构边缘的破坏提出磨损机理,研究结果可为钛在磨料磨损条件下的应用提供理论和设计依据。

不同温度下等离子渗氮后TC4钛合金的摩擦磨损性能

采用等离子渗氮技术提升TC4钛合金的耐磨性并探究最优渗氮温度。利用LDM 1-100型等离子渗氮设备,在650,700,750,800,850℃和900℃温度下对TC4钛合金进行渗氮处理,保温时间均为10 h。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、白光三维形貌仪、X射线衍射仪和显微硬度计分别对不同温度渗氮试样的微观组织结构、表面形貌、表面粗糙度、相结构和硬度进行表征。利用CETR UMT-3型多功能摩擦磨损试验机测试等离子渗氮后TC4钛合金的摩擦学性能。结果表明:TC4钛合金表面显微硬度和粗糙度随温度升高而增大,在900℃渗氮后TC4钛合金表面显微硬度达到了1318HV 0.05,约为基体(360HV 0.05)的4倍。硬度的升高是由于渗氮后试样表面形成了硬质氮化物相(TiN和Ti2N相),且随着渗氮温度升高氮化物的含量增加。相较于低温渗氮(低于750℃)的试样,850℃和900℃渗氮试样的承载能力显著提升。与原始TC4试样相比,渗氮处理后试样的磨损体积显著降低。当渗氮温度为850℃时,试样磨损体积为未处理试样磨损体积的1.2%(1 N),3.0%(3 N)和62.2%(5 N),试样的耐磨性提升更为显著。

不同载荷对HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层摩擦学性能的影响

目的提高深地钻探钻具关键零部件的抗磨性能。方法采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)制备AlCoCrFeNi高熵合金涂层。采用X射线衍射仪对高熵合金粉末和涂层的相组成进行研究,采用扫描电子显微镜对高熵合金粉末及涂层的微观结构进行分析,使用维氏显微硬度计测得涂层的显微硬度,采用摩擦磨损试验机对涂层在不同载荷下的磨损行为进行研究。采用SEM和EDS对磨痕表面进行分析,采用XPS技术分析磨痕元素成分,利用三维白光干涉形貌仪测量涂层的磨损体积和表面粗糙度。结果HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层结构致密,相结构为BCC相,显微硬度达(536±34)HV_(0.2),约为35CrMo钢基体[(278±20)HV_(0.2)]的2倍。随着载荷的增加,涂层的摩擦系数减小、磨损率增大。相同载荷下(6 N),涂层的磨损率约为基体的41%。HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层的磨损失效机制为,低载荷下(2 N)主要为氧化磨损伴随着轻微的磨粒磨损;高载荷下(4、6 N)受到反复剪切应力出现疲劳磨损。结论HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层具有良好的抗磨性能,可以有效减轻磨损,有望应用于深地钻探钻具关键零部件的表面防护。

等离子体增强磁控溅射TiN涂层与铝对摩时的摩擦磨损行为

铝挤压模具表面的摩擦磨损行为是影响铝制品质量和模具寿命的重要因素。为了进一步优化铝挤压模具表面耐磨涂层的沉积工艺,以TiN涂层为例,采用等离子体增强磁控溅射方法分别在基体偏流为0.1 A、1.5 A、3.0 A和4.5 A条件下制备TiN涂层,利用XPS、SEM、AFM和XRD分别测量TiN涂层的化学成分、表截面微观结构和相组成,利用纳米压痕仪和旋转式球-盘摩擦磨损试验机分别考察TiN涂层试样的综合力学性能和与铝对摩时的摩擦磨损行为。结果表明:基体偏流增加对TiN涂层的化学组成影响较小。随着基体偏流的增加,TiN涂层的横截面形貌逐渐细化。涂层表面具有由岛状微凸起组成的微结构,随着基体偏流的增加,微凸起尺寸和数量逐渐减小,表面粗糙度逐渐降低。不同基体偏流条件下制备的涂层均具有明显的TiN(111)择优生长趋势。当基体偏流从0.1 A增加到1.5 A时,TiN涂层的晶粒尺寸明显减小,涂层的综合力学性能得到显著提高。TiN涂层试样与铝对摩过程中主要发生粘着磨损和磨料磨损,涂层试样对铝的减摩抗磨性能与对摩过程中的铝粘着面积呈负相关。结论:基体偏流对等离子体增强磁控溅射TiN涂层的表截面微观结构、力学性能和摩擦磨损行为影响显著,基体偏流为1.5 A时制备的TiN涂层具有最低的摩擦因数和磨损率,分别为0.41×10^(-15)和3.03×10^(-15)m~3/(N·m)。研究结果对铝成型模具表面高性能长寿命防护涂层的研究开发具有一定的理论意义和实用价值。

清净剂、分散剂与ZDDP复配对a-C薄膜摩擦学性能的影响

固-液复合润滑系统是获得高燃油经济性和高耐用性发动机系统的关键技术。极压抗磨剂二烷基二硫代磷酸锌(Zinc dialkyldithiophosphate,ZDDP)、清净剂高碱基磺酸钙(Over-base calcium sulfonate,OBCa Su)与分散剂聚异丁烯丁二酰亚胺(Polyisobutylene succinimide,PIBSI)作为配方润滑油中使用最广泛的三种润滑油添加剂,与常用发动机表面强化薄膜类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)薄膜复配下摩擦学性能的相关研究仍较少。利用非平衡磁控溅射方法制备a-C薄膜,通过CSM摩擦磨损试验机评价ZDDP与OBCa Su(ZDDP+OBCa Su)、ZDDP与PIBSI(ZDDP+PIBSI)复配条件下a-C薄膜的摩擦学性能,并利用拉曼光谱、SEM和EDS能谱等手段分析摩擦化学反应,探究摩擦机理。结果表明,ZDDP、ZDDP+OBCa Su和ZDDP+PIBSI润滑三种润滑条件下,GCr15钢和a-C薄膜磨损表面形成含磷酸盐的摩擦反应膜,两者摩擦学性能随润滑剂的变化规律相似。ZDDP+OBCa Su复配润滑下,磨损表面形成的Ca_(3)(PO_(4))_(2)和Zn_(3)(PO_(4))_(2)复合摩擦反应膜可以提高GCr15钢和a-C薄膜的抗磨损性能。ZDDP+PIBSI复配润滑下,GCr15钢和a-C薄膜摩擦学性能下降。通过对比研究传统润滑油添加剂在GCr15钢和a-C薄膜表面的摩擦学行为和摩擦化学反应机理,为a-C薄膜在发动机系统中应用以及研发适配a-C薄膜的润滑油配方提供数据支持和理论指导。

不同湿度环境下镀钛金刚石烧结聚晶金刚石的摩擦学性能

聚晶金刚石(Polycrystalline diamond,PCD)机具在钻探破岩与切削过程中服役于边界润滑环境,湿度条件是影响其摩擦磨损性能及切削钻进效率的重要因素。采用磁控溅射技术在金刚石微粉表面沉积厚度为~500 nm的钛薄膜,并选用镀钛金刚石微粉为原料烧结聚晶金刚石(Ti-polycrystalline diamond,Ti-PCD)。研究了Ti-PCD在5%~50%相对湿度(Relative humidity,RH)条件下对磨氮化硅的摩擦磨损性能,利用SEM、XRD、AES等表征镀钛金刚石微粉和Ti-PCD的微观组织、表面形貌及相结构。采用光学显微镜、白光三维形貌仪、拉曼光谱仪分析Ti-PCD和氮化硅球的磨损形貌。结果表明,Ti-PCD中金刚石晶粒与粘结剂钴界面处形成碳化钛过渡层。在相对湿度为5%~50%RH条件下,氮化硅磨斑处的碳质转移膜是影响Ti-PCD稳态摩擦因数的主要原因。5%RH干燥环境下,摩擦滑移过程中碳原子重杂化过程形成连续均匀的碳质转移膜,获得超低的稳态摩擦因数0.034。Ti-PCD表面相对较疏水,水分子钝化作用减弱,有助于形成具有减摩作用的碳质转移膜,致使湿度环境下的稳态摩擦因数比传统PCD降低~30%。Ti-PCD磨损在5%~50%RH湿度范围内逐渐减轻。Ti-PCD中的碳化钛相发挥结合桥作用,利用界面效应强化粘结剂钴和金刚石的界面结合,抑制摩擦滑移过程中的金刚石颗粒剥落,提高Ti-PCD的耐磨性。应用金刚石微粉表面涂层技术制备减摩Ti-PCD,从界面结合和补强增韧方面强化金刚石与粘结剂钴的界面状态,对设计制造高效长寿钻探机具有重要的研究意义。