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磁控溅射MoN基涂层制备及宽温域摩擦磨损特性研究

磁控溅射MoN基涂层制备及宽温域摩擦磨损特性研究

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作者：钱建国宁波大学

学位级别：硕士

针对现代航空、航天及切削刀具等产业中关键部件在高低温、高速高压及重载等恶劣工况下出现摩擦磨损严重、零件失效及使用寿命低等问题,发展从室温至高温具有持续润滑性能的涂层具有重要的理论和实际应用价值。本论文基于氮化物陶瓷硬... 详细信息

针对现代航空、航天及切削刀具等产业中关键部件在高低温、高速高压及重载等恶劣工况下出现摩擦磨损严重、零件失效及使用寿命低等问题,发展从室温至高温具有持续润滑性能的涂层具有重要的理论和实际应用价值。本论文基于氮化物陶瓷硬质基础相与多润滑相复配和涂层表面原位自生润滑相的协同来实现宽温域低摩擦系数和低磨损的研究方法,开展了氮化钼基涂层的制备、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700℃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。利用直流磁控溅射技术在不同N流量下制备了系列MoN涂层,研究了MoN涂层显微结构、力学性能及宽温域摩擦磨损性能随N流量的变化规律,结果表明:涂层在低氮流量下主要以金属Mo相和少量面心立方MoN相组成,而随着N流量增加,涂层形成MoN、MoN及Mo多相混合的纳米复合结构。常温下,MoN涂层的摩擦系数最低可达到0.35左右,磨损率为2.84×10mmNm,由于涂层在高温下发生严重的氧化磨损,涂层的磨损率会上升两个数量级。研究了掺杂的碳润滑相在MoCN涂层中的存在形式及随温度的变化规律,通过改变碳靶电流来调控涂层中碳元素的含量,并制定了沉积MoCN涂层的具体工艺参数,研究了不同碳含量对MoCN涂层的显微结构,力学性能及宽温域摩擦磨损性能的影响。结果表明:由于非晶碳中类金刚石结构的spC-C杂化碳及反应强化相Mo C相的存在,MoCN涂层的硬度及弹性模量最大分别达到28.89 GPa、439.22 GPa,涂层的硬度及弹性模量会随着碳含量的增加而下降。在中温300℃下非晶碳与Mo O润滑相发挥协同润滑的作用,而在摩擦温度升至500℃以上时会发生氧化失去润滑效果。另外,退火处理会使MoCN涂层中的非晶碳向着石墨化转变,在经过400℃热处理后MoN涂层的机械性能和摩擦学性能均得到一定程度的提高。通过增加Ag靶和Cu靶制备了复合涂层,研究了不同元素掺杂、单掺杂及共掺杂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Ag、Cu在摩擦表面的化学作用。结果表明:掺杂软金属Ag或Cu会极大削弱复合涂层的硬度及弹性模量,降低复合涂层的耐磨性能,在中温300℃下,复合涂层摩擦表面会发生Ag的扩散释放及Cu的氧化,当摩擦温度上升至500℃以上时,通过在磨损区域进一步发生摩擦化学反应原位生成钼酸银及钼酸铜润滑相来降低复合涂层的摩擦系数。

关键词：磁控溅射技术 MoN基涂层元素掺杂宽温域摩擦磨损协同润滑

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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

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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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

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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

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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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

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