掺杂元素Ti对WS2薄膜结构和摩擦学性能的影响

目的 提高单一成分WS₂薄膜的力学和摩擦学性能。方法 采用多靶磁控溅射方法制备不同Ti含量的WS₂–Ti复合薄膜。利用X射线能谱仪（EDS）、拉曼光谱仪（Raman）、X射线光电子能谱仪（XPS）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、纳米压痕仪,对薄膜的成分、化学态、晶体结构、形貌以及力学性能进行表征,并利用球–盘摩擦试验机检测该系列薄膜在大气和真空环境下的摩擦学性能。结果 掺杂元素Ti显著改善WS₂薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能。随着Ti含量的增加,WS₂薄膜的结晶度下降,致密度增加,其硬度和杨氏模量分别从0.25 GPa和16.60 GPa增加到3.52 GPa和59.00 GPa。Ti原子数分数为7.17%时,复合薄膜的磨损率在真空和大气环境下分别低至0.10×10^-15 m³/（N·m）和2.66×10^-15m³/（N·m）。结论 在真空摩擦试验中,WS₂基薄膜的...     

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...     

激光熔覆原位自生TiC-CrxSy/Ni基复合涂层的组织与性能

采用激光熔覆技术在Ti6Al4V合金表面制备出原位自生TiC-Cr_xS_y/Ni基复合涂层,利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）分析了不同Ni包MoS₂含量对涂层物相组成、显微组织的影响,并测试了涂层的硬度及摩擦磨损性能。结果表明,在激光熔覆过程中Ni包MoS₂发生了分解反应,分解后的S大部分生成了新的润滑相Cr_xS_y、TiS。随着Ni包MoS₂含量的增加,复合涂层凝固组织逐渐细化,树枝相、多边块状相逐渐减少,球状相、条状相逐渐增多。由于上述组织的变化,涂层的显微硬度先增大后减小,摩擦因数逐渐减小。当Ni包MoS₂含量为40%时,涂层的显微硬度为1048 HV0.3,摩擦因数为0.19,磨损机理表现为轻微犁削,此时涂层的耐磨性能最优。     

磁控溅射NiCrAlY/MoS2复合薄膜结构与性能研究

目的 通过离子源复合磁控溅射技术,制备宽温域耐磨减摩性能良好的NiCrAlY/MoS2复合薄膜.方法 采用离子源复合磁控溅射技术制备了NiCrAlY/MoS2复合薄膜,研究不同MoS2掺杂量对薄膜结构、力学性能和不同温度氧化热处理后摩擦学性能的影响.采用能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对薄膜元素含量、组织结构和相结构进行分析.通过显微硬度计、洛氏硬度计、球-盘式摩擦磨损试验机、3D轮廓仪及高温氧化试验,对复合薄膜硬度、膜/基结合力、摩擦磨损性能和抗氧化性能进行分析.结果 NiCrAlY及NiCrAlY/MoS2复合薄膜以柱状晶结构生长,物相结构主要由Ni3Al、Ni-Cr和MoS2组成.随着MoS2含量的增加,薄膜柱状晶尺寸增加,致密度下降,薄膜硬度从503HV逐渐降到336HV.复合膜具有良好的膜/基结合力,结合力达到HF1级水平.掺杂MoS2可以明显提高复合薄膜的摩擦学性能,当MoS2掺杂量达到48.1％～69.8％时,NiCrAlY/MoS2复合薄膜在室温下具有良好的耐磨减摩性能,其摩擦因数降低至0.038～0.09,磨损率比NiCrAlY薄膜降低1个数量级以上,达到2.14×10–6 mm3/(N·m).对NiCrAlY和NiCrAlY-48.1％MoS2复合薄膜进行400℃和500℃高温氧化试验,复合薄膜氧化形成NiO、Al2O3、MoO3相,经过氧化后复合薄膜仍具有良好的耐磨性能,400℃氧化后复合薄膜磨损率降至1.41×10–6 mm3/(N·m).结论 MoS2掺杂量对NiCrAlY/MoS2复合薄膜结构和性能有重要影响,当MoS2原子数分数为48.1％时,复合薄膜在常温以及高温氧化后均具有良好的耐磨减摩性能.     

MoS2-Zr复合薄膜的摩擦学性能研究

目的改善MoS_2薄膜的疏松结构,提高其硬度及摩擦磨损性能。方法采用离子源辅助磁控溅射技术在GCr15基体上沉积不同Zr含量的MoS_2-Zr复合薄膜,通过SEM分析薄膜的表面及截面形貌。采用EDS检测薄膜的成分,采用显微维氏硬度计测试薄膜的硬度,采用Rockwell-C硬度计进行压痕测试实验,采用球-盘式旋转摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能。结果 MoS_2-Zr复合薄膜的致密程度和硬度随着Zr含量的增加而增大,其硬度值为300~500HV。复合薄膜与基体的结合力随着Zr含量的增加而增强,但当Zr含量过高时,结合力下降。含Zr原子数分数为15%的MoS_2-Zr复合薄膜具有最好的摩擦学性能,其平均摩擦系数为0.09,磨损率为9.33×10~7 mm~3·N~(–1)·m~(–1),耐磨寿命达5.25×105 r。结论 Zr的掺杂改善了纯MoS_2薄膜的疏松结构,提高了MoS_2薄膜的硬度和结合力,合适的Zr掺杂可以获得较低的摩擦系数和较长的耐磨寿命。     

MoS2薄膜摩擦因数和磨损量的数学模型

目的 构建MoS₂薄膜的摩擦因数模型和磨损模型,预测其磨损体积。方法 通过球-盘摩擦磨损实验,研究法向载荷和滑动速度对MoS₂薄膜摩擦因数的影响规律,其中最大接触压强范围为441.08～1393.82MPa,滑动速度为0.05～0.628m/s。利用场发射扫描电子显微镜（SEM）和白光共聚焦显微镜分析MoS₂薄膜的磨损形貌。结果 基于赫兹接触理论,建立了MoS₂薄膜摩擦因数与法向载荷和滑动速度的数学模型。预测结果与实测结果之间的最大相对误差为12.02%,其余预测结果的相对误差均小于10%。从摩擦耗散能的角度,研究发现MoS₂薄膜的磨损体积与摩擦耗能之间呈显著的线性关系,结合新的摩擦因数模型,提出了MoS₂薄膜的磨损模型。此磨损模型是法向载荷、滑动速度和摩擦时间的函数关系式,其相对误差绝对值的平均值为10.81%。与传统Archard模型的结果进行比较发现,新的磨损模型的相对误差较小。通过分析MoS₂薄膜的磨损机理,探讨了磨损模型产生...     

CrSiN纳米复合薄膜的摩擦学性能

采用中频非平衡反应磁控溅射技术在单晶硅P(111)基材上制备了CrSiN纳米复合薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、Kevex能谱仪(EDX)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪对薄膜的相结构、化学成分组成和力学性能进行了测试分析。利用球-盘式摩擦磨损试验机(UMT-2)考察了薄膜和GCr15钢球对磨的摩擦学性能并采用扫描电镜(SEM)观察磨痕形貌。结果表明:CrN薄膜中Si元素的掺杂改变了薄膜晶体结构,所制备的CrSiN复合薄膜为多相复合结构,即nc-CrN/aSi3N4所组成的纳米晶/非晶复合结构。CrSiN纳米复合薄膜的力学性能均优于CrN薄膜,其硬度均高于CrN薄膜的硬度,其中Si原子数分数为12.6%时薄膜的硬度达到最大,对应纳米晶/非晶复合强化。CrSiN纳米复合薄膜的摩擦因数低于CrN薄膜,具有很好的抗磨损性能,并具有一定的润滑作用。     

MoS2-Al复合薄膜高温摩擦学性能研究

目的提升MoS_2薄膜在高温环境下的润滑性能。方法应用非平衡磁控溅射技术共溅射MoS_2靶和Al靶沉积MoS_2-Al复合薄膜。通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压入仪和CSM牌高温摩擦磨损试验机,评价MoS_2-Al复合薄膜表面及断面形貌、微观结构、机械性能和高温环境下的摩擦学性能,并通过奥斯巴林显微镜观察磨痕及磨斑形貌。结果温度超过400℃时,Al含量(原子数分数)为18.3%的MoS_2-Al复合薄膜表现出了优异的高温润滑性能,摩擦初始阶段的摩擦系数保持在0.07左右,平均摩擦系数低至0.172,比纯MoS_2薄膜的摩擦系数降低了64%,摩擦曲线十分稳定。结论当薄膜中Al的添加量为18.3%时,Al的引入在不破坏MoS_2结构时起到了自身优先氧化的作用,从而保护了MoS_2结构不被破坏,使MoS_2-Al复合薄膜在高温环境下的润滑能力得到了显著提升。     

304不锈钢表面激光熔覆NiMoSi层的组织与性能

为改善304不锈钢的摩擦学性能,分别以A熔覆层20%Ni-48%Mo-32%Si,B熔覆层30%Ni-42%Mo-28%Si(质量分数)混合粉末为原料,在304不锈钢表面利用激光熔覆技术制备复合熔覆层,分别利用XRD、SEM和摩擦磨损试验机分析了熔覆层的物相、显微组织结构及室温下的摩擦学性能。结果表明:复合熔覆层和基体冶金结合良好,仅存在部分裂纹。Mo₅Si₃、MoSi₂是复合熔覆层的主要物相,A熔覆层显微硬度(1060.1 HV0.5)和B熔覆层显微硬度(725.9 HV0.5)均明显高于基体(257.2 HV0.5),A复合熔覆层的磨损率和摩擦因数最低。     

超低摩擦WS_2/W-DLC固体润滑薄膜的制备与性能

利用离子束辅助沉积技术和低温离子渗硫技术制备了二硫化钨/钨掺杂类金刚石(WS2/W-DLC)复合薄膜。采用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、透射电子显微镜(TEM)、纳米硬度仪(Nano-indenter)和多功能摩擦磨损试验机(UMT)考察了薄膜的微观结构与摩擦学性能。结果表明:制备的薄膜在大气环境下表现出优异的力学性能和超低摩擦的性能,该复合薄膜中,硬质强化相纳米碳化物WC1-x和软质润滑相过渡族金属硫化物WS2、Fe S均匀镶嵌于类金刚石基体内形成复合结构,复合结构是薄膜表现出优异性能的主要原因。     

磁控溅射MoS2-Ni复合膜的结构与性能研究

目的提高MoS_2薄膜在大气环境下的摩擦学性能。方法采用离子源复合磁控溅射技术制备了Mo S2-Ni复合膜,通过改变Ni靶功率获得不同Ni掺杂量的复合膜,研究不同Ni掺杂量对复合膜结构及摩擦学性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、洛氏硬度计、球-盘式摩擦磨损试验机以及3D轮廓仪,对复合膜显微结构和性能进行研究。结果复合膜以柱状晶结构生长,增加Ni含量可以细化晶粒,使复合膜的结构更加致密。复合膜硬度在250~446HV之间,且随Ni含量的增加,复合膜的硬度提高。复合膜具有良好的膜/基结合力,结合力达到HF1级。MoS_2-Ni复合膜的摩擦系数在0.10~0.23之间,随Ni含量的增加,虽然复合膜的摩擦系数增加,但由于磨损过程形成稳定的转移膜粘着在对磨球表面,因而使得磨损率降低,耐磨寿命提高。结论 Ni掺杂可以提高复合膜的致密度、硬度以及结合力,增强复合膜的耐磨性能。     

Low friction composite coating of CrxSiy/MoS2 on steel

The manufacture of the system tool steel/intermediate layer of Cr_xSi_y/low friction MoS₂ film was achieved by r.f. magnetron sputtering. The substrate material was X100CrMoV51 with a surface roughness of R_z<100 nm and average roughness of R_a<10 nm. The intermediate layers of Cr₃Si, CrSi, and CrSi₂ varied in film thickness between 150 and 300 nm, and the MoS₂ film was 300 or 600 nm thick. The films, deposited without a substrate heating, were amorphous, as shown by X-ray diffraction, and homogeneous in chemical composition (determined by secondary ion mass spectrometry and Auger electron spectroscopy). The Cr_xSi_y films corresponded in chemical composition to that of the target material but the low friction MoS_1.86 film (examined by ESMA) was understoichiometric. The oxygen content was below the detection limit of less than 5 at.%, as is shown in the Auger electron spectroscopy measurements. The tribological pin-on-disk experiments were carried out with ceramic, cemented carbide, stainless steel and with coated steel as the pin material. These experiments showed a significant effect of the chemical composition of the intermediate layer on the tribological behaviour of the multilayer film. The pin-on-disk tests were carried out under the following standard conditions: load, 5 N; feed, 0.1 m s^-1; temperature, 22°C; relative humidity 40%. The layer system Cr₃Si/MoS₂ showed the best values, with the disk undergoing 5000 rev and the pin covering a sliding distance of 9 m. These values decreased with increasing silicon content in the intermediate layer. Thinner films yielded the same relationships with smaller absolute values. The friction coefficients μ are independent of the film thickness: 0.05 for MoS₂, 0.07 for CrSi₂/MoS₂, 0.09 for CrSi/MoS₂ and 0.1 for Cr₃Si/MoS₂.     

CrxTiyOz结构与其摩擦学性能相关性研究

目的通过研究表明与Magnéli相相似的Ti(n-2)Cr2O(2n-1)相当6≤n≤9时,在宽温域环境下具有优异的摩擦学性能,并深入探索这种双金属氧化物结构与力学性能和摩擦学性能之间的关系。方法利用多弧离子镀技术设计制备了不同CrxTiyOz结构的双金属氧化物薄膜,研究了退火处理前后,不同结构对薄膜力学性能和摩擦学性能的影响。结果随着Ti含量的降低,原始薄膜中大颗粒的数量和尺寸减少,膜基结合力先增加后降低,摩擦系数变化幅度不明显,约为0.3,磨损率为3×10-8 mm3/(N·m)。退火处理后,薄膜的结晶度提高,随着Ti含量的降低,薄膜硬度增大,膜基结合力提高,摩擦系数和磨损率逐渐减小。结论退火处理后的薄膜如Ti含量过高,会生成Cr2Ti4O11、Cr Ti O3和Cr_2O_3复合相,从而结构变疏松,力学性能和摩擦学性能变差。     

Analysis of diamond-like carbon and Ti/MoS2 coatings on Ti–6Al–4V substrates for applicability to turbine engine applications

Ti–6Al–4V substrates have been coated by diamond-like carbon (DLC) films, with no surface pretreatment, and have been coated by Ti/MoS₂ films, with a simple surface pre-cleaning. The DLC films were deposited by planar coil r.f. inductively-coupled plasma-enhanced chemical vapor deposition (r.f. ICPECVD); the Ti/MoS₂ films were deposited by magnetron sputtering. Both the DLC and Ti/MoS₂ films were characterized by pull tests, hardness tests, scanning electron microscopy (SEM), and wear tests (pin-on-disk and block-on-ring) to compare their adhesion, hardness, surface topology, and wear properties to plasma-sprayed Cu–Ni–In coating currently used for turbine engine applications. The DLC films were easily characterized by their optical properties because they were highly transparent. We used variable-angle spectroscopic ellipsometry (VASE) to characterize thickness and to unequivocally extract real and complex index of refraction, providing a rapid assessment of film quality. Thicker coatings yielded the largest hardness values. The DLC coatings did not require abrasive pretreatment or the formation of bond-layers to ensure good adhesion to the substrate. Simple surface pre-cleaning was also adequate to form well-adhered Ti/MoS₂ on Ti–6Al–4V. The results show that the DLC and Ti/MoS₂ coatings are both much better fretting- and wear-resistant coatings than plasma-sprayed Cu–Ni–In. Both show excellent adhesion to the substrates, less surface roughness, harder surfaces, and more wear resistance than the Cu–Ni–In films.     

非平衡磁控溅射La-Ti/WS2 自润滑薄膜的摩擦磨损行为

要满足航天器机械转动部件在恶劣工况下的工作,需研制高硬度、低摩擦系数的固体润滑薄膜。采用非平衡磁控溅射法分别制备了纯WS₂薄膜、Ti掺杂WS₂复合薄膜和La-Ti掺杂WS₂复合薄膜。分析了薄膜的微观形貌、成分、硬度和摩擦学性能。结果表明,与纯WS₂薄膜和Ti/WS₂复合薄膜相比,La-Ti/WS₂复合薄膜的微观结构更加致密。La-Ti/WS₂复合薄膜的硬度H和弹性模量E也显著提高。此外,La-Ti/WS₂复合薄膜的摩擦系数减小,并且H/E比值增大,La-Ti/WS₂复合薄膜的磨损率降低。结果表明,La的掺杂有助于在摩擦接触表面形成稳定的转移膜,提高La-Ti/WS₂复合薄膜的耐磨性和承载能力。     

选择性键合金属-类金刚石复合薄膜的性能研究

目的研究具有选择性键合作用的掺杂金属元素(Cu、Al、Ti)对类金刚石(DLC)薄膜的结构和摩擦学性能的影响。方法以高纯石墨及其与金属复合靶作为靶材,采用离子源镀膜技术分别在n-型(100)单晶硅片和抛光304不锈钢片基体上制备金属-DLC复合膜。采用514.6 nm氩离子激发源的Raman光谱仪,对金属-DLC复合薄膜进行拉曼光谱分析。采用努氏硬度计和表面轮廓仪测量计算薄膜的硬度和残余应力。采用原子力显微镜(AFM)观察DLC薄膜的表面形貌和结构。使用球-盘滑动磨损试验机对DLC复合薄膜进行摩擦学性能分析。结果类金刚石薄膜中掺入不同金属元素掺杂后,摩擦系数保持相对稳定,但磨损率存在较大差异。无掺杂DLC膜中的sp~3键含量最高,薄膜硬度高,残余应力大,在摩擦过程中易脱落。Ti-DLC金属复合膜的表面质量最好,结构致密,残余应力释放的同时保持较高的硬度,测得其磨损率最低,为0.13×10~(-15) m~3/nm。结论通过在DLC膜中掺杂不同键合能力的金属元素能够调控DLC薄膜的微观结构,改善薄膜的力学性能(硬度、残余应力),提高薄膜的抗磨损性能。薄膜的摩擦学性能与薄膜的微观结构与金属掺杂元素的存在形态有关。     

激光熔覆NiCoCrAlY/HfB2复合涂层结构及高温摩擦学性能

利用激光熔覆技术在纯钛表面制备了NiCoCrAlY/HfB2复合涂层。用XRD和SEM分析了涂层的组成和组织结构,在SRV-IV微动摩擦磨损试验机上对涂层不同温度下的摩擦磨损性能进行对比测试,采用SEM和三维表面轮廓仪对磨损后试样、对偶球和磨屑的形貌进行了分析。结果表明:NiCoCrAlY/HfB2复合涂层主要组成为NiTi、HfB2、TiB2、Co3Ti、CrTi4和Hf3Ni7相,复合涂层与基材冶金结合,涂层晶体结构主要为块状晶。涂层的平均显微硬度约为850HV0.2,是基材硬度的4.25倍。在20℃、100℃、300℃和500℃摩擦测试温度下涂层的摩擦因数和磨损率随温度的升高而减小,复合涂层的磨损率在10-4～10-5 mm3/Nm数量级,具有较好的高温耐磨性能,涂层的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损。