真空中不同转速和对偶对a-C∶H膜摩擦学性能的影响

非晶碳氢(a-C∶H)薄膜作为空间润滑材料有很大的应用前景,它在真空中的摩擦磨损行为与掺杂元素、摩擦对偶、滑动速度等因素有关.采用中频非平衡磁控溅射法在AISI202不锈钢和p(111)单晶硅基体上沉积了厚度为1.3～1.6 μm的a-C∶H膜以及Cr、MoS2掺杂的a-C∶H复合膜.采用球盘摩擦试验机对3种膜的真空摩擦学行为进行了研究,摩擦性能较好的薄膜在真空中进行了GCr15、Si3N4和C不同对偶以及100、500、1000 r/min的不同转速摩擦实验.结果表明:在沉积气压为5.3×10-1 Pa,Ar和CH4的气体流量比为1∶1,单纯溅射石墨靶(溅射电流12 A)的条件下,制备的a-C∶H薄膜在真空中的摩擦因数最低(0.005),寿命相对最长;对偶对a-C∶H膜的摩擦因数影响不大,但薄膜的耐磨寿命随着对偶硬度的增加而降低;随着转速的增加,a-C∶H膜的摩擦因数和耐磨寿命均降低.     

类富勒烯结构对含氢碳膜摩擦学性能的影响

目的研究类富勒烯结构含氢碳膜的摩擦学性能及润滑机理。方法采用闭合场非平衡反应磁控溅射技术,通过调节靶电流制备出类富勒烯结构含氢碳膜(FL-C:H)与非晶含氢碳膜(a-C:H)。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜观察薄膜表面与断面的形貌,通过傅里叶红外光谱仪表征了碳膜的碳氢键结构,通过纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损实验评价薄膜的力学及摩擦学性能,通过透射电子显微镜分析磨屑结构,并通过光学显微镜及三维轮廓仪对磨斑及磨痕形貌进行分析。结果类富勒烯结构对薄膜的机械力学性能影响不大,但是对其大载荷下的摩擦学性能有影响。与a-C:H碳膜相比,小载荷下(5 N),FL-C:H碳膜的摩擦系数较高,大载荷下(20 N),FL-C:H碳膜具有较低的摩擦系数(0.03)和磨损率(4.8×10-8 mm~3/(m·N)),并且其摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。随着载荷的增加,FL-C:H碳膜的摩擦系数和磨损率先降低,后基本不变,在载荷大于15 N时,摩擦界面形成了类球状纳米结构颗粒。结论类球状纳米结构颗粒的形成能降低薄膜的摩擦系数和磨损率,而FL-C:H碳膜比a-C:H碳膜更易在摩擦界面形成类球状纳米结构颗粒。这种类球状纳米结构的形成还依赖于载荷的大小(大载荷时更易形成),因此类富勒烯碳膜在大载荷下更易保持低的摩擦系数及磨损率。     

异质a-C:H/a-C:H:F配副的摩擦学行为研究

目的 研究F元素掺杂非晶碳基薄膜与a-C:H薄膜摩擦配副的摩擦学行为机制。方法 利用PECVD法在Si基底上制备a-C:H:F薄膜,与直径为6.0 mm的a-C:H薄膜摩擦对偶球组成摩擦配副体系,使用往复模式的CSM TRB 3摩擦机研究a-C:H:F薄膜的摩擦学特性,频率为5 Hz,滑动总次数为9 000,外加载荷分别为2、4、6、8、10N。通过纳米硬度、X射线光电子能谱、傅里叶红外光谱、激光共聚焦拉曼光谱、场发射扫描电镜及CSM摩擦试验机等,分别评价a-C:H:F薄膜的结构、表面形貌、力学性能、摩擦学性能等。结果 在干摩擦环境下,随着载荷的增加,a-C:H:F薄膜的摩擦因数逐渐降低,平稳后摩擦因数低至0.018。通过掺杂F元素,一方面促进了薄膜的sp²-C杂化,另一方面增大了薄膜的无序度。F元素具有钝化薄膜表面和静电排斥的作用,使得a-C:H:F薄膜具有较低的摩擦因数和磨损率。结论 采用PECVD方法制备的a-C:H:F薄膜具有更好的减摩降损能力。     

直流反应磁控溅射制备 a-C:H 薄膜及其表面粗糙度研究

为研究含氢类金刚石(a-C:H)薄膜的制备及性能,充入含—CH3原子团的CH4气体,在不同CH4/Ar流量比条件下于N型硅基底上沉积a-C:H薄膜,并借助椭偏仪、非接触式白光干涉仪及激光波面干涉仪对薄膜的沉积速率及表面粗糙度进行测定。结果表明,含氢碳源气体的加入提高了类金刚石薄膜的沉积速率,改善了表面平整度。     

Cr/WC/DLC薄膜的多环境摩擦学性能

采用磁控溅射法,在304不锈钢上制备Cr/WC/DLC多层梯度过渡类金刚石薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、纳米压痕仪、划痕测试仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机考察其在大气、去离子水、发动机油3种环境下的摩擦学性能。结果表明:该薄膜的多层梯度设计使其膜基间结合力得到了有效改善,且硬度高达32.6GPa,在3种环境下均具有优异的摩擦学性能。在大气环境下,薄膜具有较低的平均摩擦因数,为0.094;但具有3种环境下最大的磨损率,为7.86×10-8 mm3(N·m)-1;在去离子水环境下,薄膜的平均摩擦因数较高,为0.124;而其磨损率较低,为5.26×10-8 mm3(N·m)-1;在发动机油环境下,固-油复合润滑效应使薄膜具有更加优异的摩擦学性能,其平均摩擦因数和磨损率均为3种环境下的最小值,分别为0.065和4.44×10-8 mm3(N·m)-1。     

硅含量对喷射沉积SiC_p/Al-Si功能梯度复合材料摩擦磨损性能的影响

对喷射沉积技术制备的不同硅含量铝基功能梯度复合材料进行室温摩擦学性能研究。结果表明:当硅含量分别为7%、17%和20%时,SiCp/Al-Si功能梯度复合材料的摩擦因数随载荷或滑动速度(转速)的增加而减小;随着SiC颗粒含量的增加,摩擦因数呈增大趋势;随基体硅含量增加,摩擦因数越稳定。在转速300~500 r/min、700~900 r/min和载荷10~30 N、40~50 N时,磨损率随转速、载荷的增加而升高,随SiC颗粒含量的增加而降低,梯度变化明显;在转速500~700 r/min和载荷30~40 N时,随转速、载荷的增加,磨损率反而减小;随基体硅含量的增加,磨损率呈降低趋势,材料在摩擦过程中生成的机械混合层(MML)厚度呈减小趋势。     

边界润滑条件下薄膜碎片对W-DLC薄膜磨损性能的影响

为研究边界润滑条件下薄膜碎片对钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜的摩擦磨损性能的影响规律,分别在M50高温轴承钢和(100)晶向的Si片表面制备W-DLC薄膜,并且采用刻蚀法去除Si获得W-DLC薄膜碎片。采用Raman光谱和扫描电镜研究薄膜和碎片的结构,利用摩擦磨损试验机和三维白光干涉仪对添加碎片后的薄膜的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:在载荷分别为2、5和10 N时,由于加入定量薄膜碎片后摩擦体系的平均摩擦因数分别增大2%、4%和10%;而载荷由2 N提高到5 N和10 N时,摩擦体系的平均摩擦因数从0.1277减小到0.1131再减小到0.1031。在载荷与薄膜碎片耦合作用下,薄膜的磨痕宽度、深度和体积都增大。通过磨损形貌的观察发现,W-DLC薄膜在边界润滑条件下的磨损受到了磨粒磨损机制的控制,在摩擦接触表面上呈现典型的犁沟特征。     

自配对含氢类石墨碳薄膜超滑性能

采用等离子体增强化学气相沉积与原位渗氮复合技术在硅片和轴承钢球上制备了类石墨碳薄膜,将两者组成摩擦配伍对,并讨论自配对类石墨薄膜在氮气中摩擦学行为。利用往复摩擦机、扫描电子显微镜、三维表面轮廓仪考察自配对类石墨碳薄膜在不同载荷下摩擦磨损性能;采用高分辨透射电镜、拉曼光谱和红外吸收谱分析类石墨碳薄膜摩擦前后结构变化。摩擦测试结果表明：在载荷4 N时,薄膜摩擦因数为0.01;在8 N时,薄膜摩擦因数降低到0.005。这种变化归因于摩擦诱导薄膜结构进一步有序化以及沿滑动方向形成更加有序且更长石墨烯以及片状磨屑。证实了采用自配对碳薄膜方案是实现固体超滑一种有效途径。     

TiN/Ag涂层在真空环境下的摩擦学行为

目的 银具有低的剪切强度,可以降低涂层的摩擦磨损,在TiN硬质涂层中引入软金属Ag,以期拓展其在摩擦学领域的应用范围.方法 采用多弧离子镀沉积技术,在SUS304不锈钢基底上成功制备了TiN/Ag复合涂层.利用扫描电子显微镜、纳米压痕仪、RST3划痕仪,分析了TiN/Ag涂层的微观结构和机械性能.利用CSM(大气)和HVTRB(真空)摩擦磨损试验机评估了TiN/Ag涂层的摩擦学性能.结果 TiN/Ag涂层结构致密,厚度为1.2μm,硬度约为28.4 GPa.摩擦学测试表明,真空环境下的摩擦因数远低于大气环境下的摩擦因数,大气环境下的磨损机理主要为粘着磨损与磨粒磨损,而真空环境下主要表现为机械抛光及摩擦转移膜.真空环境下TiN/Ag涂层不同载荷下的摩擦试验表明,1 N载荷条件下,摩擦因数值低至0.07,且涂层发生轻微磨损;3 N载荷条件下,机械能和热应力使得摩擦界面中的Ag发生扩散,摩擦因数迅速增加到0.42左右;5 N载荷条件下,摩擦因数呈现较明显的波动,随着滑动次数的增加,摩擦因数最高达到1.0,涂层表面发生软化形成犁沟效应,而导致涂层失效.结论 TiN/Ag涂层中Ag掺杂可显著降低涂层的内应力,抑制摩擦过程中涂层微裂纹的扩展,适当载荷下能够有效地改善TiN硬质涂层真空下的摩擦学性能.     

基底温度对掺氟类金刚石碳膜摩擦学性能的影响

以CF4,CH4和H2作为前驱气体,改变基底温度,通过直流脉冲等离子气相沉积法(PECVD)制备掺氟类金刚石碳膜,用傅里叶红外光谱仪分析薄膜的键合结构,用拉曼光谱仪分析薄膜中杂化碳的sp2和sp3的存在状态,用纳米压痕仪和UMT-2MT摩擦磨损实验机分别测量了薄膜的硬度、摩擦因数等机械性能。结果表明,F主要以C-F3,C-Fx(x=1,2,3)基团的形式存在于薄膜中;基底温度从不加热到500℃的范围,薄膜能够保持较低于0.020的摩擦因数;且基底温度为400℃时薄膜具有0.016的最低摩擦因数,但当基底温度超过600℃时,会破坏薄膜的内部结构而使机械性能下降。     

不同气体流量比对Cu/a-C∶H复合薄膜结构及摩擦学性能的影响

采用磁控溅射技术结合等离子体气相沉积技术,通过调节CH₄与Ar的气体流量比例,获得了不同Cu含量的Cu/a-C∶H复合薄膜。采用XPS、Raman等表征方法分析了不同气体流量比对Cu在复合薄膜中的存在形式及薄膜结构的影响,利用纳米压痕仪测量了复合薄膜的硬度与弹性模量,采用往复式摩擦磨损试验机、白光干涉仪、FESEM等分析了复合薄膜在空气中的摩擦学性能及相关机理。结果表明:随着CH₄在混合气体中所占比例增加,复合薄膜中sp²C含量升高,Cu含量降低,Cu晶粒的尺寸变小,复合薄膜的硬度逐渐升高,韧性降低。CH₄气体流量比为60%、Cu含量为 6.68at%的复合薄膜具有较高的硬度、良好的韧性以及在空气中最低的摩擦因数(0.091)与磨损率(1.77×10^-6 mm³·N^-1·m^-1),这与复合薄膜中sp²C含量及Cu纳米粒子的尺寸和含量有关。     

Influence of normal load and sliding speed on the tribological property of amorphous carbon nitride coatings sliding against Si3N4 balls in water

Amorphous carbon nitride (a-CN_x) coatings were deposited on Si₃N₄ disks by an ion beam assisted deposition system. The composition, structure and hardness of the a-CN_x coatings were characterized by Auger electronic spectroscopy, Raman spectroscopy and nano-indentation tester, respectively. The influences of normal load and sliding speed on the friction coefficients and the specific wear rates for the a-CN_x/Si₃N₄ tribo-pairs were investigated and analyzed synthetically by ball-on-disk tribometer. The worn surfaces were observed by optical microscope. The results showed that the a-CN_x coatings contained 12 at.% nitrogen, and their structure was a mixture of sp²and sp³ bonds. The a-CN_x coatings’ nanohardness was 29 GPa. The influence of sliding speed on the friction coefficients and the specific wear rate of the CN_x coatings was more obvious than that of normal load. The friction coefficients and the specific wear rate of the CN_x coatings decreased as the sliding speed increased. At a sliding speed higher than 0.1 m/s, the friction coefficients were less than 0.04. The specific wear rates of the a-CN_x coatings were higher than those of Si₃N₄ balls at a sliding speed below 0.1 m/s, while the specific wear rates of the a-CN_x coatings and the Si₃N₄ balls all fluctuated around a lower level of 10^− 8 mm³/Nm as the sliding speed increased beyond 0.2 m/s. To describe the wear behavior of a-CN_x coatings sliding against Si₃N₄ balls in water with normal loads of 3-15 N and sliding speeds of 0.05-0.5 m/s, the wear-mechanism map for the a-CN_x/Si₃N₄ tribo-pairs in water was developed.     

添加CeO_2对MoS_2基复合涂层摩擦学性能的影响

针对MoS_2基复合涂层耐磨性差和承载能力低的问题,以不同含量(质量分数)的CeO_2作为添加剂,采用喷涂法在GCr15钢表面制备MoS_2基复合涂层。利用摩擦磨损试验机和划痕仪分别研究涂层摩擦磨损性能和结合强度,并借助金相显微镜对涂层磨损形貌进行表征。结果表明:添加适量CeO_2可以改善涂层的摩擦磨损性能,其最佳含量为2%,此时摩擦因数和磨损量均最小,分别为0.232和0.011 3 mm~3;同时结合强度从22 N提高到28.29 N。涂层磨损量随载荷的增大而增大;而载荷小于8 N时,涂层的摩擦因数随载荷的增大而减小,当载荷大于8 N时,摩擦因数又有回升趋势。添加稀土后涂层的承载能力有明显提高。未添加稀土时,涂层产生严重剥离,并发生磨粒磨损;添加2%CeO_2后,涂层发生轻微磨粒磨损,耐磨性得到显著提高。     

石墨烯负载纳米LaF_3复合材料的摩擦学性能

采用液相超声直接剥离法制备了石墨烯负载纳米LaF_3复合材料,用SEM、TEM对其形貌进行了表征,利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了石墨烯负载纳米LaF_3复合材料在纯水中的摩擦磨损性能。通过SEM、XPS分别分析了磨痕表面的形貌、典型元素的化学状态,初步探讨了石墨烯负载纳米LaF_3复合材料在纯水中的润滑机理。结果表明:纳米LaF_3均匀分布于多层石墨烯片层表面和层间,其粒径为5~50 nm;其作为纯水添加剂具有良好的减摩抗磨性能,如试验载荷10 N,添加剂浓度0.01%(质量分数)时,与纯水润滑时相比,石墨烯负载纳米LaF_3复合材料水分散体系润滑下平均摩擦系数和磨损体积分别下降34.35%和52.40%,这主要是由于复合材料在磨损表面形成的吸附膜、摩擦化学反应膜发生协同作用,改变了水的磨损机理,抑制了Fe的氧化,使得摩擦表面的摩擦磨损得到减轻。     

纳米Cr2O3微粒对2024-T4微弧氧化膜结构及耐磨性能的影响

摘 要: 在含有不同浓度纳米Cr2O3微粒的硅酸盐体系电解液中对2024-T4铝合金进行微弧氧化处理,使用SEM观察陶瓷膜的表面形貌和截面形貌,使用EDS能谱仪分析膜层中各主要成分沿截面方向的分布,使用XRD分析陶瓷膜的相结构,使用纳米压痕硬度计测量陶瓷膜的硬度,使用粗糙度仪测量陶瓷膜的表面粗糙度,使用摩擦磨损试验机测量陶瓷膜的摩擦系数,使用激光共聚焦显微镜测量磨痕体积,评估磨损率,使用SEM观察磨痕形貌,结果表明：在电解液中加入纳米Cr2O3微粒后,制备的陶瓷膜中出现了Cr2O3相,电解液中纳米Cr2O3微粒浓度达到2.4g/L时,陶瓷膜的硬度最高,摩擦系数最小,磨损率最低,耐磨性最好。     

脉冲激光沉积WSx/a-C复合薄膜的结构与摩擦学性能

采用脉冲激光烧蚀石墨/WS₂组合靶,在硅基片上沉积不同碳质量分数的WSx/a-C复合膜。用能谱仪、扫描电子显微镜和X射线衍射仪对薄膜的成分、形貌和微观组织进行了表征。采用纳米压痕仪、涂层附着力划痕仪和球-盘式摩擦磨损试验机对薄膜的硬度、结合力和大气中(相对湿度50~55%)的摩擦学性能进行了测试。结果表明,薄膜的S/W比稳定在2.0左右且形成了(002)择优取向的WS₂相。随着薄膜中碳质量分数的增加,薄膜的硬度在36.1%C时出现最高值,结合力随之增大且在52.4%C时达到最高值,摩擦因数先降低后增加,在41.2%C时有最小值0.144。薄膜磨损率在(0.91~1.61)×10_-15 m₃N_-1m_-1范围内变化,36.1%C的WSx/a-C复合膜具有最佳耐磨性能。     

Friction and wear behavior of Cu-CeO2 nanocomposite coatings synthesized by pulsed electrodeposition

The friction and wear behavior of copper matrix nanocomposites reinforced with nanosized ceria particles, synthesized by pulse electrocodeposition technique, have been investigated. Tests have been carried out under dry sliding conditions by rubbing against a steel ball at varying loads ranging from 4 to 20 N and at constant speed of 11 rpm using a ball-on-disk wear tester. The experimental results indicate that the wear resistance of copper composite is superior to that of pure copper at all the loads and it improves with the increasing amount of ceria in the copper matrix. The friction coefficient and wear rates increase with the increase in applied load. When the load increases from 4 to 20 N, the transition of wear regime from local damage to delamination of a mechanically mixed layer (MML) occurs.     

超音速等离子喷涂NiCrCr3C2/Mo复合涂层的高温摩擦磨损性能*

采用超音速等离子喷涂制备了NiCr-Cr3C2/Mo复合涂层,借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计、高温摩擦磨损试验机等手段,研究了涂层的微观组织、显微硬度及涂层在25、300、500、750℃下的摩擦磨损性能。结果表明:制备的NiCr-Cr3C2/Mo复合涂层Mo相分布均匀,组织致密、硬度高;温度对涂层的摩擦因数影响显著,随温度的升高,摩擦因数呈先下降后上升再下降的趋势,750℃时因摩擦界面生成MoO3减摩相使摩擦因数最低;NiCr-Cr3C2/Mo复合涂层在高温下以氧化疲劳剥落为主要失效机制,涂层表面复合氧化膜的形成特点将直接影响涂层的摩擦磨损性能,MoO3的形成是显著提高涂层减摩效果的主要因素。     

Preparation and wear performance of NiCr/Cr3C2-NiCr/hBN plasma sprayed composite coating

NiCr clad hexagonal BN powder (NiCr/hBN) was added to NiCr/Cr₃C₂ feedstock to improve the tribological properties of chromium carbide nichrome coating. The microstructure, flowability and apparent density of the composite powder, as well as the structure and mechanical properties of the plasma sprayed coating were characterized. The friction and wear behavior of the NiCr/Cr₃C₂-NiCr/hBN coating from ambient temperature up to 800 °C was evaluated on a ball-on-disk wear tester and compared with that of NiCr/Cr₃C₂ coating and NiCr/Cr₃C₂-NiCr/BaF₂·CaF₂ coating. The results show that NiCr cladding can reduce the decarburization of Cr₃C₂ and oxidation of hBN during the thermal spray. The main wear mechanisms of the NiCr/Cr₃C₂-NiCr/hBN composite coating are ploughing and adhesive wear. Layered hexagonal BN particle reduce the direct contact and severe adhesion between friction pairs, thus decreasing the friction coefficient. The NiCr/Cr₃C₂-NiCr/hBN composite coating shows a promising application in the high temperature environment with the request of both wear resistance and friction reduction.     

溅射功率对La-Ti/WS2 复合薄膜高温摩擦学行为的影响

高温条件下WS₂易于氧化生成WO3,导致WS₂固体润滑薄膜的摩擦学性能受到较大影响。为改善WS₂固体润滑薄膜在高温条件下的摩擦学性能,采用非平衡磁控溅射技术制备了共掺杂La-Ti/WS₂复合薄膜,研究了靶功率对磁控溅射La-Ti/WS₂复合薄膜结构和高温摩擦学性能的影响。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了薄膜微观形貌、成分、力学性能、微观结构。利用高温摩擦磨损试验机研究了复合薄膜的高温摩擦学性能。结果表明,高温环境下,靶功率为20W时La-Ti/WS₂复合薄膜表现出优异的摩擦学性能。此时,复合薄膜H/E值最大,摩擦系数最小,平均为0.012,磨损率最低为1.56×10^-8mm³/N·m,这主要归因于高温下摩擦界面产生的稀土氧化物,促使La-Ti/WS₂复合薄膜的摩擦磨损机制发生了改变,使得WS₂在高温受破坏的情...