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掺杂cr元素的DLC膜层工艺及其应用于专用设备的减磨研究

掺杂Cr元素的DLC膜层工艺及其应用于专用设备的减磨研究

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中国核学会2021年学术年会

作者：张旭冯一可核工业理化工程研究院

针对新一代专用设备的上支承系统失稳风险升高问题,基于降低材料摩擦系数,探索了材料表面处理工艺,研究了膜层材料与摩擦副的碰磨性能评价技术和磨损机理。本文使用物理气相沉积工艺在工件内壁沉积了掺杂cr元素的DLC膜层。通过掺杂元素... 详细信息

针对新一代专用设备的上支承系统失稳风险升高问题,基于降低材料摩擦系数,探索了材料表面处理工艺,研究了膜层材料与摩擦副的碰磨性能评价技术和磨损机理。本文使用物理气相沉积工艺在工件内壁沉积了掺杂cr元素的DLC膜层。通过掺杂元素进行DLC膜层成分调控,有效降低了内应力,提高结合力至34.7N。开展销-盘摩擦磨损试验验证了掺杂cr元素起到了有效减磨效果。通过调控cr靶电流,获得了不同cr含量的DLC膜层。在cr含量为1.74%时表现出最优摩擦学性能,进一步将膜层摩擦系数降低至0.086。通过膜层能谱面分布、光电子射线能谱及拉曼光谱,讨论了sp2杂化相结构影响膜层摩擦性能变化机理。建立541合金磨损量表征的直方图积分法,结合磨损形貌提出摩擦机理。相对于未镀膜试样,镀膜工件磨痕宽度降低了4倍,对磨副减厚程度实现了从1.6mm降低至0.004mm,跨两个数量级的显著降低。掺杂cr元素的DLC膜层有效降低了两对磨副的磨损程度,具备良好的自润滑特性。内壁镀膜的工件通过专用设备的抗震性能试验考核,改善专用设备受激降速情况,降低碰磨程度。

关键词： DLC膜层摩擦系数 cr元素掺杂

来源： cnki会议评论

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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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铬掺杂碳基多功能性薄膜的制备及其性能研究

铬掺杂碳基多功能性薄膜的制备及其性能研究

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作者：庄玉召南京理工大学

学位级别：硕士

类金刚石(DLC)薄膜由金刚石相(sp3碳杂化结构)和石墨相(sp2碳杂化结构)组成,具有众多优良的性能,如硬度高、摩擦系数低、透光性能好、化学性质稳定,具有一定的生物相容性等。DLC薄膜作为一种新型薄膜材料,可被广泛应用在机械、光学、电... 详细信息

类金刚石(DLC)薄膜由金刚石相(sp3碳杂化结构)和石墨相(sp2碳杂化结构)组成,具有众多优良的性能,如硬度高、摩擦系数低、透光性能好、化学性质稳定,具有一定的生物相容性等。DLC薄膜作为一种新型薄膜材料,可被广泛应用在机械、光学、电子学、生物医学等领域。然而,在基础研究与实际应用过程中,发现DLC薄膜的缺陷,如较高的内应力,韧性和热稳定性差等,会削弱薄膜的性能和使用寿命。为此,科研人员展开了一系列的改性研究,发现通过对基底表面预处理、异质元素掺杂、构建过渡层,退火处理等都能有效改善薄膜的性能。本文主要研究利用cr元素掺杂、cr过渡层设计以及两者的协同作用对DLC薄膜结构和性能的影响。通过采用双激发源多弧(脉冲阴极弧和直流阴极弧)蒸发技术,即利用脉冲阴极弧发生器蒸发石墨靶材制备DLC薄膜,利用磁分离直流阴极弧蒸发cr靶材,可以实现cr元素掺杂或cr过渡层沉积,在单晶硅和不锈钢基底上制备了DLC薄膜、铬过渡层/DLC薄膜(cr/DLC),铬掺杂DLC薄膜(DLC:cr)和铬过渡层／铬掺杂DLC薄膜(cr/DLC:cr)。通过Raman光谱仪分析薄膜的相结构、XPS分析薄膜的元素组成、AFM和SEM观察了薄膜的表面形貌,采用纳米压痕仪、台阶仪、摩擦磨损试验机分别测量了硬度和弹性模量、厚度和内应力、摩擦系数,并对薄膜的润湿性能和抗腐蚀性能进行了测试。重点研究了脉冲频率、直流阴极弧功率及cr过渡层对薄膜的元素组成,相结构及性能的影响,为DLC薄膜的应用提供理论依据。

关键词： DLC薄膜 cr元素掺杂 cr过渡层电弧蒸发法结构特征性能分析

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