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VN基自润滑复合材料的制备及宽温域摩擦磨损性能研究

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VN基自润滑复合材料的制备及宽温域摩擦磨损性能研究

作者：陈树西安科技大学

学位级别：硕士

高新技术产业的不断发展对固体润滑材料的性能提出了更高要求。发挥氮化钒陶瓷相和固体润滑相的性能优势及其协同作用,开发一种能够在较高温度、较宽温域下应用的氮化钒基自润滑复合材料具有重要意义。本文以VN为基体,以Ag、MoS2、Ag-M... 详细信息

高新技术产业的不断发展对固体润滑材料的性能提出了更高要求。发挥氮化钒陶瓷相和固体润滑相的性能优势及其协同作用,开发一种能够在较高温度、较宽温域下应用的氮化钒基自润滑复合材料具有重要意义。本文以VN为基体,以Ag、MoS2、Ag-MoS2、Ag2MoO4为固体润滑剂,采用热压烧结法制备了系列VN基固体自润滑复合材料,分析了 VN基自润滑复合材料的相组成及其形成机理,研究了固体润滑剂及其含量对VN基自润滑材料的硬度、密度及宽温域(室温～700℃)下的摩擦学性能的影响,阐明了宽温域下材料的摩擦磨损机理。获得了主要结论如下:(1)热压烧结制备的VN陶瓷组织均匀,由VN、少量杂质金属氧化物及微孔洞组成。随温度升高,VN陶瓷的摩擦系数不断降低,700℃的摩擦系数为0.368,较室温降低约53%,其原因为VN陶瓷氧化生成更多的氧化钒润滑相。同时VN陶瓷的磨损率随温度升高呈先增大后减小的变化趋势,其中300℃的磨损率最高达23.47×10-5mm3/N·m。(2)与VN陶瓷相比,VN/MoS2系复合材料的界面结合良好,MoS2相均匀分布于VN基体中,组织致密。VN/MoS2系复合材料室温和300℃的摩擦系数显著降低,这是MoS2润滑相与其在摩擦过程中反应生成MoO3润滑相共同作用的结果。如VN-5MoS2复合材料300℃时的磨损率为10.87×10-5 m3/N·m,较VN陶瓷降低了 54%。(3)与VN陶瓷相比,VN/Ag系复合材料的致密性有所提高,且随着Ag含量的增大,VN/Ag复合材料组织的均匀性改善。在室温～700℃温域内,VN/Ag系复合材料的摩擦系数随着Ag含量的增大而降低,其中VN-15Ag在700℃的摩擦系数为0.274,较VN陶瓷降低约25%,这与Ag、V2O5、Ag3VO4等润滑相的协同作用有关。同时,VN/Ag复合材料在300℃～700℃的磨损率明显低于VN陶瓷。(4)在700℃摩擦过程中VN/Ag系复合材料出现负磨损现象,且负磨损现象随着Ag含量的增加越发明显。此时,VN-15Ag磨损率为-20.73×10-5 mm3/N·m,这是磨损表面的Ag与VN在700℃摩擦过程中反应生成AgVO3、Ag3VO4而引起体积膨胀所致。(5)与VN-15Ag、VN-15MoS2相比,VN-15Ag15MoS2的组织更为致密,在室温～700℃的摩擦系数全面降低,表现出更好的宽温域润滑性能。尤其是700℃时VN-15Ag15MoS2 的摩擦系数低至 0.170,较 VN-15Ag、VN-15MoS2 分别降低了 38%及50%,这归因于宽温域下Ag、MoS2、V2O5、MoO3、Ag3VO4及Ag2MoO4等多种润滑相的协同作用。同时,VN-15Ag15MoS2的磨损率在室温和300℃时较VN-15Ag及VN-15MoS2明显降低。(6)与 VN-15Ag、VN-15MoS2相比,500℃至 700℃下 VN/Ag2MoO4系复合材料的摩擦系数有所降低,表现出更好的润滑性能。700℃下VN-15Ag2MoO4的摩擦系数为0.247,较VN-15Ag、VN-15MoS2的相应值分别降低了10%、28%。同时,在室温、300℃、500℃及700℃下VN-10Ag2MoO4的磨损率较VN陶瓷的相应值分别降低了 56%、62%、55%及72%。

关键词： VN基复合材料固体润滑摩擦磨损负磨损协同润滑

磁控溅射制备的PbO基涂层结构及宽温域摩擦磨损性能研究

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磁控溅射制备的PbO基涂层结构及宽温域摩擦磨损性能研究

作者：吴洋宁波大学

学位级别：硕士

近年来,航空、航天领域发展迅猛,对于宽温域范围内,对于高速重载载等苛刻环境下能有效作业的润滑材料愈发迫切,开发出一种从室温到高温持续有效润滑的材料将是机械部件润滑方面的突破。本论文基于氧化物基础相与多润滑相复配在涂层表面... 详细信息

近年来,航空、航天领域发展迅猛,对于宽温域范围内,对于高速重载载等苛刻环境下能有效作业的润滑材料愈发迫切,开发出一种从室温到高温持续有效润滑的材料将是机械部件润滑方面的突破。本论文基于氧化物基础相与多润滑相复配在涂层表面原位自生润滑相的协同作用,开发出在宽温域范围内同时具有低摩擦系数与低磨损率的PbO基温度自适应润滑涂层。详细介绍了PbO基涂层的制备、微观结构、机械力学及宽温域摩擦磨损性能的研究工作,探究了涂层组织结构与摩擦学性能之间的构性关系,揭示了涂层在室温至800℃环境下组分、结构与性能的演变规律以及自适应减摩机理和失效机制。利用非平衡直流磁控溅射技术在不同O流量下制备了系列PbO涂层,研究了PbO涂层显微结构、力学性能及宽温域摩擦磨损性能随O流量的变化规律,结果表明:涂层在低O流量下主要以PbO相和PbO相组成,随着氧气流量增加,涂层中的PbO含量增加,涂层结构中的柱状晶更加致密,机械性能提高。而且涂层中的PbO,PbO在400℃氧化为PbO,在更高温下PbO在550℃会被还原为PbO,这一系列氧化还原反应会导致涂层在600℃以上具有最佳的减摩与耐磨性能。通过Cr元素掺杂,引入氧化铬作为涂层中的增强相,分析不同Cr含量对PbO涂层结构与力学性能的影响,研究了不同Cr含量的PbO基涂层在不同温度下的润滑机理。结果表明Cr元素含量过高时会固溶于PbO晶格结构中,破坏晶界阻止晶体生长成形,使薄膜非晶化,从而提高薄膜的机械性能。随着Cr含量增加,高温摩擦化学反应的熵值与焓值也随之改变,利用热动力学诱导涂层生成PbCr O和四方结构的α-PbO协同润滑相,提高涂层在高温环境下的耐磨性。然后对PbCrO系列薄膜进行不同情况下的热处理,发现718基体中的Cr元素在化学势差驱动下扩散至涂层表面,在纯PbO薄膜中生成了铬酸盐,从而对薄膜进行自修复,提高薄膜的使用寿命。设计制备了PbCrO-S复合涂层,研究了不同硫化程度对复合涂层组织结构、力学及摩擦磨损行为的影响,并分析了不同温度下硫化层在摩擦表面的减摩作用。研究发现PbCrO-S薄膜在低温时通过Pb S层承担润滑作用,在高温环境中自发形成PbO与硫酸盐担任润滑相与增强相,具有良好的宽温域摩擦磨损性能。在RT-650℃,RT-800℃的循环摩擦后摩擦系数维持在0.23,磨损率分别为8.3,2.1×10mm/N·m,具有良好的宽温域摩擦磨损性能。

关键词：直流磁控溅射技术 PbO基涂层 Cr元素掺杂宽温域摩擦磨损协同润滑

多弧离子镀VN基涂层的结构与摩擦磨损性能研究

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多弧离子镀VN基涂层的结构与摩擦磨损性能研究

作者：蔡群宁波大学

学位级别：硕士

航空航天领域的迅猛发展,对高温、高速、重载等苛刻工况下的作业提出了更多的要求,研制高性能、高效率和耐用的高温固体润滑材料特别是设计和生产在宽温域范围内具有低摩擦系数和高耐磨性的材料迫在眉睫。温度自适应润滑涂层作为一种初... 详细信息

航空航天领域的迅猛发展,对高温、高速、重载等苛刻工况下的作业提出了更多的要求,研制高性能、高效率和耐用的高温固体润滑材料特别是设计和生产在宽温域范围内具有低摩擦系数和高耐磨性的材料迫在眉睫。温度自适应润滑涂层作为一种初步智能化的润滑材料,提供了良好的设计思想和可行的工艺方法。本论文利用多弧离子镀技术在N及CH气氛中沉积了一系列VN基涂层,并表征了涂层的化学成分与显微结构,利用纳米压痕仪测试涂层的硬度。此外还利用多功能摩擦磨损试验机评价了涂层宽温域摩擦磨损性能。基于高温氧化的工况背景,提出了VAlCN/VN-Ag结构设计自润滑复合涂层的新途径,制定了沉积VAlCN涂层的具体工艺方案。通过改变CH气体的流量,调控涂层中功能元素碳的含量,研究了不同碳含量对VAlCN涂层的显微结构,力学性能及摩擦磨损性能的影响。不同温度退火后的VAlCN涂层显示较大差异的组织结构和性能,550℃退火后的摩擦系数最小,此温度下原位生成VO氧化润滑相,具有优异的减摩及耐磨性能。通过多元素掺杂,引入了中低温具有较好润滑效果的银元素及利于改善力学性能的铝元素,制备了四种VN基复合涂层,对比研究了C、Ag、Al等元素掺杂对复合涂层的性能影响。结果表明Al元素可以提高涂层的硬度、弹性模量和耐磨性,引入Ag元素降低了涂层的硬度和承载能力,sp杂化碳有利于减小涂层的摩擦系数。利用热动力学驱动诱导的Ag扩散以及高温氧化产物AgVO和AgVO的协同润滑降低了摩擦系数,实现了高温摩擦化学诱导的低摩擦反应膜的形成。设计并制备了VAlCN/VN-Ag多层涂层,评价了多层涂层的力学及摩擦学性能,探究了多层及复合VAlCN-Ag涂层在不同温度条件下磨损表面的化学作用,发现多层VAlCN/VN-Ag涂层具有比复合VAlCN-Ag涂层更优异的力学性能,分析了多层界面的银缓释作用与氧阻隔机制,揭示了多层及复合涂层不同温度下的减摩抗磨机制。

关键词：多弧离子镀 VN基涂层多元素掺杂宽温域摩擦磨损协同润滑

TaCN涂层微结构调控及其高温摩擦学性能研究

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TaCN涂层微结构调控及其高温摩擦学性能研究

作者：李文正中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)

学位级别：硕士

随着我国经济建设的进一步发展,航空航天、热核电力及模具等行业迅猛发展,相关零部件在高温环境下的润滑和磨损性能得到越来越多人的关注,研制适用于宽温域环境下具有低摩擦系数和低磨损率的高温固体润滑材料迫在眉睫。但是单一的固体... 详细信息

随着我国经济建设的进一步发展,航空航天、热核电力及模具等行业迅猛发展,相关零部件在高温环境下的润滑和磨损性能得到越来越多人的关注,研制适用于宽温域环境下具有低摩擦系数和低磨损率的高温固体润滑材料迫在眉睫。但是单一的固体润滑材料一般只能够在有限温度范围内实现润滑效果,因此人们研究提出可以通过多润滑相复配来实现多种润滑相在不同温度区域内协同润滑效果,从而达到复合涂层在宽温域环境下的润滑效果。本文拟采用磁控溅射技术,设计和制备TaCN涂层材料,并通过引入Ag功能因子,调控TaCN涂层微结构,系统研究了涂层的结构,硬度,结合力和高温摩擦磨损性能,揭示TaCN涂层及其含银复合涂层的耐磨减摩机理。研究结果如下:1)设计和制备的TaCN涂层具有致密柱状晶结构,涂层由TaC和Ta N纳米晶和部分非晶相组成;随着氮气分压增加,TaCN涂层结晶性变差,而乙炔分压增加会导致TaCN涂层结晶性先增强而后减弱。TaCN涂层硬度最高34.0 GPa,结合力(Lc3)最大为74.8 N。2)随着氮气分压增加,涂层的摩擦系数和磨损率增加,而乙炔的分压增加分别降低TaCN涂层的摩擦系数和磨损率。室温下,TaCN涂层最小摩擦系数为0.19,最低磨损率为1.89×10-6 mm3N-1m-1。高温下,TaCN涂层的摩擦系数和磨损率随着温度的增加均呈增大的趋势,涂层的磨损机理主要为磨粒磨损。3)共沉积TaCN-Ag复合涂层中银含量增加到12.9%时,涂层柱状晶结构由细小变得粗大,并导致涂层表面粗糙度增大。涂层的硬度与弹性模量随银含量的增加而逐渐降低。TaCN-Ag复合涂层高温下具有良好的润滑效果,润滑效果随银含量增加而更加明显。相比于TaCN,TaCN-Ag复合涂层在650℃下存在更低的摩擦系数0.53,同时磨损率为6.2×10-4 mm3N-1m-1。4)TaCN/Ag多层涂层设计抑制了柱状晶结构生长,涂层更为致密。TaCN/Ag多层涂层的硬度和弹性模量值随着调制周期的减小而增加,弹性模量最大为261.4 GPa,硬度最高为16.3 GPa。高温环境下,不同调制周期TaCN/Ag多层涂层具有良好的润滑效果,并且调制周期越小,润滑效果越优异。调制周期最小涂层在400℃和650℃下,摩擦系数分别为0.5和0.6,比TaCN涂层具有更低的摩擦系数。

关键词：磁控溅射 TaCN涂层银掺杂高温摩擦磨损协同润滑

吉木萨尔油田页岩油水平井封堵防卡钻井液技术

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化工管理 2019年第32期 201-202页

作者：周哲文武东生孙斌李云志陈涛中国石油集团公司西部钻探工程公司吐哈钻井公司

吉木萨尔油田是新疆油田的重点开发区域,以芦草沟组页岩油水平井为主.钻井施工过程中,由于泥岩地层水敏性强易造成井壁掉块和坍塌,同时该组地层砂、泥岩厚度不均一,水平段较长且穿多套砂、泥岩层,易造成交接面起下钻困难,水平段钻进托... 详细信息

吉木萨尔油田是新疆油田的重点开发区域,以芦草沟组页岩油水平井为主.钻井施工过程中,由于泥岩地层水敏性强易造成井壁掉块和坍塌,同时该组地层砂、泥岩厚度不均一,水平段较长且穿多套砂、泥岩层,易造成交接面起下钻困难,水平段钻进托压等复杂问题,严重制约了油田的有效开发.

关键词：页岩油水平井钻井液复合封堵防卡芦草沟组协同润滑