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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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