钛合金表面复合涂层制备及重载条件下摩擦性能研究

作     者：刘继彬 

作者单位：中国农业机械化科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：汪瑞军;李振东

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：钛合金 超音速喷涂 物理气相沉积 复合涂层 重载摩擦 

摘      要：航空装备关键零部件正向着轻量化方向发展,钛合金广泛应用于飞机起落架铰接承力部件,然而其表面易摩擦磨损问题凸显,众多表面改性技术成为研究热点。超音速等离子喷涂技术（SAPS）制备Ni Cr-CrC涂层,显微硬度高,但存在孔隙缺陷。物理气相沉积技术（PVD）制备Cr-DLC薄膜,微观结构致密,表面摩擦系数低,但当基体为轻质金属时,基材承载能力不足,导致膜层间膨胀系数不匹配,极易导致膜层裂纹萌生甚至分离剥落。本文基于Ni Cr-CrC涂层和Cr-DLC薄膜的优势性能,设计一种以较厚的SAPS金属陶瓷涂层作为底层,以较薄的PVD薄膜作为顶层而组成的复合涂层。优化单层Ni Cr-CrC涂层与Ni Cr-CrC/Cr-DLC复合涂层的组织结构、力学性能、摩擦学性能,并通过研制的重载摩擦磨损试验,揭示复合涂层在重载工况下的摩擦学性能。主要研究内容结论如下:（1）以孔隙率和显微硬度作为涂层质量判定依据,经过制备工艺参数优化,Ni Cr-CrC涂层的显微硬度达到1013.09(HV),孔隙率为1%,表面粗糙度Ra值在7.23μm-7.43μm之间,结合强度值达到66.4±1.9 MPa,残余应力为压应力。摩擦系数维持在0.6-0.7之间,磨损机制主要为磨粒磨损。具有充当SAPS/PVD复合涂层底层的性能。（2）重载摩擦磨损试验机应用施加法向重载实现较大接触应力的面对面滑动摩擦方式,纵向伺服电动缸闭环静态加载50 k N,横向伺服电动缸闭环动态加载±25 k N,控制精度±0.5%,动态试验最大速度80 mm/s、最高频率10 Hz。位移控制、负荷控制可平滑切换,同时具备双闭环协调加载能力。试验环境包含干摩擦、盐雾、高温油浴,可满足滑板初始静摩擦和滑动摩擦等性能测试。（3）Ni Cr-CrC/Cr-DLC复合涂层的显微硬度为1527.7(HV),表面粗糙度Ra平均值可达0.177μm,平均结合强度为55.49±4.92 N。重载工况下的摩擦系数在0.61-0.62之间,对磨销磨痕区域存在大量的片层状磨屑和轻微的犁沟,对磨板磨痕区域主要以犁沟为主,且犁沟两边具有明显的塑性变形痕迹,对磨损机制以磨粒磨损为主。相比于基体,涂层试样试验时,对磨销磨损率分别降低1.64倍和1.84倍,对磨板磨损率分别降低1.81倍和1.53倍,Ni Cr-CrC/Cr-DLC复合涂层在重载工况下的摩擦学性能优良。