不同摩擦副条件下二硫化钼薄膜的摩擦学性能研究

为了研究MoS_(2)-Ti薄膜与9Cr18钢、W-DLC和DLC薄膜的摩擦学行为,分别采用磁控溅射技术和等离子体增强化学气相沉积技术在9Cr18钢表面沉积了MoS_(2)-Ti薄膜、W-DLC和DLC薄膜。用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)研究了薄膜的表面形貌、化学成分和相组成。利用纳米压痕仪和球-盘摩擦试验机对不同薄膜的纳米硬度和摩擦学性能进行了分析。研究结果表明,MoS_(2)-Ti薄膜与DLC薄膜的摩擦因数和磨损率最小。相比MoS_(2)-Ti薄膜与不镀膜的9Cr18钢球摩擦副,MoS_(2)-Ti薄膜与W-DLC薄膜摩擦副的摩擦因数和磨损率没有减小。MoS_(2)-Ti薄膜与W-DLC薄膜摩擦副的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损,与DLC薄膜摩擦副的磨损机制为黏着磨损。摩擦副表面沉积DLC薄膜有助于降低MoS_(2)-Ti薄膜的摩擦因数和磨损率。

同步脉冲偏压对低温制备的CrSiN薄膜结构及性能的影响研究

利用高功率脉冲磁控溅射技术,研究了同步脉冲偏压对低温沉积的CrSiN薄膜的组织结构、力学、摩擦学及耐腐蚀性能的影响。研究表明,随着同步脉冲偏压升高,荷能离子轰击对薄膜表面的溅射作用增强,薄膜中的轻质元素含量略有下降,同时c-CrN(111)晶面衍射峰消失,薄膜呈明显的(200)晶面择优取向,晶粒细化,致密度提高。在−500 V偏压下沉积的薄膜硬度最大,达到16.5 GPa,腐蚀电流密度可达2.09×10^(−10)A/cm^(2);磨粒磨损及黏着磨损为CrSiN薄膜的主要磨损机制。调控同步脉冲偏压实现了低温下具有优良力学性能和耐蚀性能的CrSiN薄膜的可控制备,为拓宽CrSiN薄膜在温度敏感基体上的适用性提供了新的研究思路与解决途径。

金属双极板表面改性碳基涂层研究进展

首先对比了贵金属涂层、氮化物涂层、碳基涂层的性能优劣,重点阐述了碳基涂层改性技术的最新研究进展。然后,以碳基涂层的设计及制备2个维度为研究切入点进行阐述。在膜系设计方面,着重分析了膜系设计和元素掺杂对碳基涂层的性能影响;在制备方面,分析了偏压、沉积时间和气体流量等对碳基涂层的化学组分、微观结构的调控作用。最后,总结了当前碳基涂层改性双极板存在的问题,主要为涂层运行寿命不足,无法达到服役标准;测试条件不统一,且模拟环境与电堆实际工况差距较大;涂层长时间服役后的失效机制不明确。同时,对金属双极板改性碳基涂层的进一步发展方向做出了展望。

掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展

类金刚石(Diamond like carbon,DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率的特点,已广泛应用于各行各业,但也存在内应力大、热稳定性差以及摩擦学性能对环境敏感等问题,制约了DLC薄膜的应用。在DLC薄膜中,掺入异质元素能够改变薄膜成分、微观结构和sp3杂化键含量,可有效地减小薄膜内应力,提高结合力并改善摩擦学性能。首先介绍了掺杂DLC薄膜的起源和制备方法,简要分析了各种制备方式的优缺点,并从掺杂元素在DLC薄膜中的存在形式和sp3杂化键含量两个方面,讨论了掺杂对DLC薄膜微观结构的影响,并简要介绍了掺杂对DLC薄膜机械性能的影响。金属元素掺入DLC薄膜后,以原子溶解、单质纳米晶或金属碳化物纳米晶的形式,分布于非晶基体中;非金属元素掺入DLC薄膜后,主要以原子溶解形式溶于非晶基体。随后,系统讨论了掺杂对DLC薄膜摩擦学性能的影响。S、Ag元素的掺入能够有效减小真空环境下DLC薄膜的摩擦系数;B、N、F、Si或过渡金属的掺入能够提高DLC薄膜的热稳定性,拓宽DLC薄膜的使用温度范围;Si、F、B以及钛等过渡金属元素的掺入能够降低DLC薄膜摩擦学性能对湿度的敏感性。最后,提出了多元素掺杂和多种方法联合应用是DLC薄膜未来的重点研究方向。

Al元素对Fe-Mn-Al-C钢微观组织和力学性能的影响

使用中频感应炉在大气环境下熔炼不同Al质量分数的Fe-Mn-Al-C钢,利用XRD,OM和EPMA分析不同Al质量分数下Fe-Mn-Al-C钢的显微组织,并对其力学性能进行测试.结果表明:中锰钢由铁素体和奥氏体2相及少量碳化物组成,随着Al质量分数的增多,铁素体的体积分数增大.且不同Al质量分数下奥氏体中都有C元素的富集.另外,Al质量分数为6%、8%、10%的中锰钢的硬度分别为267、330、323HV.合金的强度和塑性都随着Al质量分数的增多而降低,且合金实测强度远低于由经验公式计算得到的理论强度值,合金塑性较差.

氩气流量对非晶碳膜结构及力学和摩擦学性能的影响

目的提升9Cr18不锈钢表面的耐磨损性能。方法在不同氩气流量条件下,采用激光引弧磁过滤阴极电弧离子镀制备非晶碳膜。利用拉曼光谱、X射线光电子能谱仪(XPS)和原子力显微镜(AFM)表征薄膜的微观结构和化学态。利用薄膜综合性能测试仪和大气球-盘摩擦试验机,测试薄膜的力学性能和摩擦学性能。结果拉曼光谱分析表明,随着氩气流量从0m L/min增大到80m L/min,I_(D)/I_(G)值从0.62逐渐增大到2.84,而G峰的半高宽随着氩气流量的增大而降低。XPS分析表明,随着氩气流量的增加,薄膜中sp^(3)杂化键含量逐渐降低,氩气流量为0 mL/min时,sp^(3)杂化键的原子数分数为55.1%,氩气流量为80 mL/min时,sp^(3)杂化键的原子数分数降低至31.0%。氩气流量为0 mL/min时,制备的薄膜硬度和弹性模量最大,分别为46.4GPa和380.5GPa。不同氩气流量制备的薄膜,其摩擦系数为0.1~0.2,薄膜的磨损率随着氩气流量的增加而增大。结论氩气流量对非晶碳膜的耐磨性能具有显著的影响,氩气流量为0 mL/min时,所制备的薄膜的磨损率为3.8×10^(–17)m^(3)/(m·N),相较氩气流量为80 mL/min时所制备薄膜的磨损率(1.1×10^(–16)m^(3)/(m·N))降低了1个数量级,说明其具有优异的耐磨损性能。

原子层沉积技术改性CrN硬质涂层性能的第一性原理研究

目的基于密度泛函理论的第一性原理,对原子层改性氮化铬(CrN)涂层的关键性能进行仿真计算,以充分了解涂层微观组织结构演变和微观界面结构本质,为后续原子层沉积CrN工艺研究提供理论指导。方法通过建立CrN(011)-CrN(011)复合体系模型,分析计算了涂层的界面性能、弹性性能及热力学性能。结果模型结构经过优化后,各原子层间间距均发生不同程度的减小,且各层间距趋于一致。态密度分析表明:其优良的结构稳定性主要来自6.4~4.8 eV范围内Cr原子3d轨道和N原子2p轨道间的相互作用;基于应力应变的弹性常数满足波恩准则判定依据,力学性能稳定,计算结果为硬度30.29 GPa,体积模量409.83 GPa,剪切模量270.86 GPa。采用NVT系综模拟,当温度T≤1023 K时,温度波动振荡收敛;当温度T>1023 K时,温度在某个时间点瞬时激增而不收敛,可以得出CrN涂层的极限使用温度为1023 K。结论原子层沉积改性的CrN硬质涂层具有优良的界面相容性,成键强度高,界面能低,结构性能稳定。

热轧变形量对铝热法制备的2507双相不锈钢组织和力学性能的影响

对铝热反应制备的微纳结构2507双相不锈钢在1000℃下进行了变形量为40%、60%和80%的轧制处理.利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)研究其轧制态显微组织.采用万能拉伸试验机和布洛维光学硬度计测试其力学性能.测试结果表明:轧制过程中,奥氏体和铁素体沿轧制方向被拉长,且奥氏体向铁素体转变.随着轧制变形量的增加,纳米晶平均晶粒尺寸变化不大,但体积分数减小.1000℃下轧制变形量为40%、60%和80%后的屈服强度分别为232、284、456 MPa,抗拉强度分别为533、577、582 MPa,硬度分别为325、330、337 HV,延伸率分别为12.5%、11.1%和11.5%.

HiPIMS技术低温沉积CrN薄膜结构及性能研究

目的实现性能优异的CrN薄膜在低温沉积条件下的可控制备。方法利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS),通过调控脉冲放电波形(可调控脉冲放电模式-MPP、双极脉冲放电模式-BPH)制备了系列低温沉积工艺下的CrN薄膜。选用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米硬度测试仪及球盘摩擦试验仪表征了Cr N薄膜的组织结构、微观形貌、摩擦学性能。结果相对于传统的直流磁控溅射技术(DCMS),Hi PIMS具备高溅射材料离化率,偏压作用下产生的荷能离子对成膜表面的持续轰击作用,有效提升了低温沉积条件下成膜粒子的表面迁移能,显著抑制了贯穿柱状晶的连续生长,达到了细化晶粒,改善薄膜致密性的目的。BPH模式下沉积的薄膜表面光滑致密,表面粗糙度可达4.6 nm。细晶强化作用及薄膜致密性提升使得BPH模式下制备的Cr N薄膜硬度最高,可达(15.6±0.8)GPa。此外,BPH模式下沉积的CrN薄膜具备最为优异的摩擦学性能,摩擦系数低(~0.3)且运行平稳,并且在高速及重载作用下,仍能表现出优异的摩擦磨损性能。结论HiPIMS技术中的双极脉冲放电模式可显著提升沉积粒子表面迁移能,提升Cr N薄膜沉积反应动力学过程,实现低温条件下性能优异的Cr N薄膜的可控制备。

激光引弧磁过滤真空阴极电弧制备ta-C薄膜的结构与性能

采用自主研制的激光引弧磁过滤真空阴极电弧沉积设备在不同工件台转速下制备了四面体非晶碳膜,通过改变工件台转速调节沉积速率,探讨了沉积速率对四面体非晶碳膜结构与性能的影响。结果表明,随着沉积速率的增加,四面体非晶碳膜硬度及弹性模量随sp3键含量变化先增加后减小,最大值分别为48 GPa和300 GPa。薄膜的摩擦因数受沉积速率影响不大,均在0.14左右。薄膜的磨损率随着沉积速率的增加逐渐降低,最小为6×10-16 m3(/N·m)。研究发现在一定范围内调节沉积速率可以有效地提高四面体非晶碳膜的力学性能及耐磨性能。

真空下载荷对a-C:H超润滑薄膜的摩擦学性能影响研究

高含H量a-C:H薄膜因能在宏观尺度实现超润滑(μ<0.01)而备受关注,具有广阔的应用前景。但高含H量a-C:H薄膜的摩擦学特性对测试条件十分敏感,为此,本文研究了典型工况(载荷)对薄膜摩擦学特性的影响及其摩擦学机制。采用球盘摩擦实验机对a-C:H薄膜在不同载荷下进行摩擦实验;使用表面轮廓仪观测薄膜在不同工况下的磨损形貌,计算磨损率;使用拉曼光谱仪测试摩擦界面处碳相结构信息及H元素的相对含量。结果表明:随着载荷的增加,摩擦界面处sp3键向sp2键转化程度增加,sp2键石墨化程度增加;摩擦界面处H元素的消耗速率增加,消耗的不均匀性同时增加;在超润滑阶段,摩擦因数基本不受载荷影响,薄膜的耐磨性能依赖于超润滑状态带来的超低摩擦因数,不同载荷下薄膜均没有明显磨损;超出超润滑阶段后,薄膜均出现较严重磨损。

TiN(111)/DLC界面粘附功和电子结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,采用平面波赝势方法,研究了Ti N(111)/DLC界面的粘附功和电子结构,阐明了Ti N过渡层改善金属基体和DLC薄膜结合性能的内在机理。根据Ti N(111)面不同的表面终端(Ti终端和N终端)和界面原子配位类型(顶位、中心位和孔穴位),构建和计算了6种可能的Ti N(111)/DLC界面理论构型。结果表明:当Ti N(111)以Ti原子为终端时,中心位堆垛界面(Ti-center)的粘附功最大;当Ti N以N原子为终端时,顶位堆垛界面(N-top)为最稳定的界面模型,弛豫后的粘附功为8.281J/m^(2)。差分电荷密度、分态密度、Mulliken布居数的计算结果均表明:Ti-center界面Ti原子和C原子形成的Ti-C键包含共价性和离子性;N-top界面处C原子和N原子形成C-N共价键。相比之下,N-top模型更有可能在Ti N/DLC界面中出现。