高功率密度柴油机缸套激光渗硫复合处理技术研究

为提高大功率密度柴油机缸套的抗高温粘着磨损性能,文中采用高能量密度的激光束对柴油机缸套内壁进行网格化淬火处理,然后用低温离子渗硫技术在缸套内壁外层生成固体润滑的FeS相.采用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计等分析设备对缸套内壁的强化层进行表征分析,采用T11高温摩擦磨损试验机对处理前后缸套内壁的抗高温磨损性能进行了比较研究,研究结果表明:缸套内壁经过激光渗硫复合处理后,抗高温粘着性能大大提高,同时渗硫层能够防止发动机刚启动时机油润滑不良导致的异常磨损和改善摩擦副之间的润滑效果.探讨了缸套内壁复合处理强化前后的摩擦磨损失效机理.     

激光熔覆-离子渗硫复合改性层的减摩耐磨性能

根据抽油泵柱塞对耐磨耐蚀及自润滑性能的迫切需求,采用激光熔覆离子渗硫复合工艺对45钢表面进行强化,得到了复合固体润滑渗硫层。利用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、电子探针显微分析(EPMA)、俄歇电子能谱(AES)和X射线衍射(XRD)等方法表征渗硫层表面的组织结构、形貌成分及物相组成,用摩擦磨损试验机研究渗硫层的减摩耐磨性能。结果表明：激光熔覆离子渗硫工艺得到的复合层为硫化物层,厚度约为3~5 μm,质软且疏松多孔,主要成分为FeS,而且与基底之间没有明显的过渡层,界线明显,结合紧密。该渗硫层是一种理想的摩擦表面,具有优异的减摩耐磨性能,离子渗硫技术为原位合成固体润滑剂FeS提供了一种新方法。     

缸套-活塞环摩擦副表面性能强化研究进展

缸套-活塞环是内燃机中最重要的摩擦副,该配副的磨损失效占内燃机摩擦磨损故障的40%左右。表面性能强化是提高缸套-活塞环摩擦副服役寿命和可靠性的重要方法。简要分析了内燃机缸套-活塞环服役工况与磨损失效机理,总结了影响缸套-活塞环摩擦磨损行为的重要因素。详细综述了表面改性、表面涂覆和表面复合处理技术在缸套-活塞环表面强化中的研究和应用现状,其中化学热处理、离子注入和表面淬火等表面改性技术,通过改变缸套-活塞环表面化学成分和组织结构,而改善其摩擦学性能,表面织构可起到贮存润滑油、容纳磨屑等重要作用。表面复合镀铬、气相沉积薄膜、热喷涂金属和金属陶瓷涂层等技术,也常用于缸套-活塞环的表面强化改性。同时,通过多种表面强化技术复合处理,如激光淬火和低温离子硫化复合、磁控溅射与渗氮复合、堆焊与表面滚压复合等,多种技术优势互补,可以实现缸套-活塞环摩擦副表面综合性能的协同提升。最后简要总结了各项表面强化技术的优缺点和亟待解决的问题。     

激光熔覆-离子渗硫层干摩擦学性能

采用激光熔覆-离子渗硫复合新工艺在45钢表面制备减磨耐磨性能良好的自润滑涂层。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、白光共焦三维轮廓仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪分析涂层及磨损表面的形貌、成分及相组成。在球盘式摩擦磨损实验机上对比研究渗硫前后熔覆层在干摩擦条件下的摩擦磨损性能。结果表明,采用离子渗硫在高硬度镍基合金激光熔覆层表面生成了硫化物固体润滑膜层,渗硫层表面疏松多孔,与熔覆层结合紧密;经渗硫处理后激光熔覆层的耐磨减摩性能提高,对磨件的磨损也明显改善;磨损表面生成了由硫化物和氧化物组成的边界润滑膜。     

金属钼层表面渗硫层的表征与减摩耐磨性能研究

对厚约3pm的金属钼薄膜进行低温离子渗硫处理，得到了单质金属钼与固体润滑剂二硫化钼（MoS2）共存的复合固体润滑渗硫层。利用SEM和EDX分析了复合渗硫层表面、截面及磨损面的形貌及成分分布，用XPS分析了复合渗硫层表面化合价态，用纳米压痕仪测定了复合渗硫层的硬度及弹性模量。摩擦磨损实验表明，该渗硫层是一种非常理想的摩擦表面，具有优异的减摩耐磨抗擦伤性能。离子渗硫技术为原位合成固体润滑剂MoS2提供了一种新方法。     

65Mn钢基体CrTiAlN微纳米复合膜的制备与抗高温磨损性能研究

采用多弧离子镀在活塞环65Mn钢基体表面制备CrTiAlN微纳米复合膜,研究了CrNx过渡缓冲层与工作负偏压对CrTiAlN微纳米复合膜性能的影响规律,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、划痕仪、纳米硬度仪和发动机台架试验装置,系统分析了薄膜相结构、表面形貌、纳米硬度和抗高温摩擦磨损性能。结果表明:当N2含量为45%时,CrNx薄膜中主要以CrN(220)相为主,此时复合膜结合强度相对较高;复合膜厚度随负偏压增大而减小,纳米硬度随负偏压增大而增大,当偏压为–200V时,CrTiAlN微纳米复合膜的晶粒较为细小。采用优化工艺沉积的CrTiAlN复合膜具有优异的抗高温粘着磨损性能,优于CrN膜和电镀Cr,最后对3种活塞环涂层的抗高温磨损机理进行了分析讨论。     

灰铸铁离子渗氮渗硫复合处理改性层的摩擦学性能

对灰铸铁进行离子渗氮渗硫复合处理，采用SEM、EDAX和XRD研究了渗层的组织结构，采用往复式滑动磨损试验机及SRV型高温摩擦磨损试验机分别在无润滑和油润滑条件下，对原始材料、离子渗氮表面、离子渗氮渗硫复合处理表面进行了摩擦学性能研究，并探讨了磨损机理。结果表明，由于离子渗氮和离子渗硫复合处理后的灰铸铁兼顾了亚表面的硬度和表层的减摩和润滑作用，改善了摩擦学性能，使其表面的耐磨性明显优于原始材料和离子渗氮者。     

激光强化铸铁活塞环的磨损性能

为降低活塞环、缸套摩擦副的磨损和改善配副性,采用激光熔覆和电镀技术在球墨铸铁表面分别制备原位析出颗粒增强金属基复合材料表层和镀铬层。分别以激光熔覆和镀铬强化的球墨铸铁为上试样,灰铸铁为下试样,模拟活塞环和缸套的工作环境,进行SRV快速磨损实验。实验结果表明:镀铬活塞环和灰铸铁缸套配副,摩擦系数在0.117 0~0.133 2范围内变化,且随摩擦时间的延长,摩擦系数逐渐增加,其磨损机制为粘着磨损;在相同的工艺条件下,激光熔覆强化的活塞环与灰铸铁配副,摩擦系数在0.067~0.085范围内变化,随摩擦时间的延长逐渐降低,其磨损机制为微切削。     

舰船大功率柴油机缸套表面抗划伤处理技术受到海军欢迎

舰船大功率柴油发动机缸套内表面易出现划伤问题，全军装备维修表面工程研究中心研制了大功率柴油机缸套表面抗划伤处理技术及其配套设备。该技术采用等离子氮碳共渗一渗硫复合处理工艺，在缸套内表面形成具有减摩、耐磨作用的氮碳共渗一渗硫复合层，从而提高缸套的抗划伤性能。     

表面纹理对柴油机缸套-活塞环摩擦副性能影响的研究

在缸套表面加工一定的纹理结构能有效提升缸套-活塞环的摩擦学性能,进而改善柴油机的工作性能和使用寿命。以环圆形凹槽结构为研究对象,在专用摩擦磨损实验机上对缸套-活塞环摩擦副进行模拟实验。研究了普通缸套和经表面处理的缸套在工况下的摩擦磨损性能。结果表明:环圆槽缸套的摩擦磨损性能优于原始缸套。该研究可为缸套-活塞环摩擦副的减磨耐磨设计提供实验依据。     

Characteristics of Ni-Ir and Pt-Ir hard coatings surface treated by pulsed Nd:YAG laser

The subjects of the presented paper are to develop a laser surface treatment technology for the protective coatings of glass-molding dies and to better understand the interaction between laser beam and materials coated on the die surface. A variety of alloy films, including Ir-25 at.% Pt, Ir-50 at.% Pt, Ir-75 at.% Pt, Ir-25 at.% Ni, Ir-50 at.% Ni, and Ir-75 at.% Ni compositions are deposited by the ion source assisted magnetron sputtering system (ISAMSS). A Cr layer that functioned as a buffer layer is deposited between the alloy film and die surface. After an alloy film and the buffer Cr layer were sequentially coated on tungsten carbide (WC) surface, Nd:YAG laser was directly applied in the writing process. The temperature profile of the film stack structure is simulated by ANSYS software. The surface roughness was analyzed by atomic force microscopy (AFM) to compare the coating surface roughness before and after the laser surface treatments. The treated coatings for oxidation prevention test were examined by energy dispersive x-ray spectrometry (EDS). Nanoindentation instrument was performed to evaluate microhardness and reduced modulus of the coatings. The cross-sectional structures between the hard coating layer and buffer layer were also inspected by a scanning electron microscope (SEM). The Pt-Ir and Ni-Ir film coatings are unable to withstand the working temperature over 1500 °C, which is considered for quartz molding process and hot embossing process. The films showed high roughness, low microhardness and low reduced modulus because the film oxidation occurred in a high working temperature process.     

一种新型高温酸化缓蚀剂的制备及性能评价

目的改善缓蚀剂在高温酸液中的缓蚀性能,满足油田高温井酸化施工的要求。方法在合成一种新型吡啶季铵盐的基础上,添加炔醇、碘化钾等助剂进行复配,得到一种新型高温酸化缓蚀剂HTCI-1。使用HK-1高温高压动态腐蚀仪对其缓蚀性能进行测试,通过电化学测试、SEM、EDS等实验对其缓蚀机理进行分析。结果该酸化缓蚀剂在160℃、16 MPa、20%HCl或者土酸(12%HCl+3%HF)、质量分数3.0%的条件下,使N80试片的腐蚀速率分别为24.53 g/(m~2·h)和23.72 g/(m~2·h),达到了SY/T 5405—1996中的一级指标。结论在高温酸液中,N80钢片腐蚀速率降低,主要是由于缓蚀剂分子吸附到碳钢表面形成了一层致密的疏水性吸附膜,从而降低了侵蚀性离子与钢铁表面接触的几率,腐蚀电极反应过程受到抑制,达到了高温条件下防护金属的目的。     

高黏附性超疏水表面的制备及耐腐蚀性

利用电化学沉积技术在碳钢基底上制备了Co-Ni过渡层,再通过双辉等离子表面合金化技术(DGPSA)在过渡层上沉积了Cr涂层,经全氟辛基三氯硅烷(PFTEOS)溶液修饰后,制备出了具有高黏附性的超疏水表面。利用扫描电镜(SEM)、EDS、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、接触角测量仪、电化学测试等方法表征了涂层的形貌、物相组成、润湿性能、粘附性以及耐腐蚀性能,探究了DGPSA技术不同沉积时间对Cr涂层表面形貌和润湿性能的影响。结果表明,在沉积温度为750 ℃,沉积时间30 min 时,制备出了具有微纳米乳突状结构的高黏附性超疏水表面,水滴接触角达到159°,水滴在样品倾斜180°也不发生滚落。电化学测试结果证明制备的超疏水表面具有出色的耐腐蚀性能,对碳钢基底起到了良好的腐蚀防护作用。     

Ni-P/Ti/DLC多层膜的摩擦磨损性能

目的研究摩擦速度、载荷及加热温度对Ni-P/Ti/DLC多层膜摩擦磨损性能的影响。方法用化学镀镍磷工艺在模具钢基体表面镀上Ni-P层作切削层,采用过滤阴极真空电弧(FCVA)技术分别沉积Ti过渡层和DLC保护层。通过摩擦磨损实验,评价该多层膜的摩擦磨损性能。利用纳米压痕测试和拉曼光谱检测,研究该多层膜在不同加热温度下的硬度、弹性模量和结构成分。利用扫描电镜及表面轮廓仪分别对该多层膜的磨痕形貌和横截面轮廓进行分析。结果随着摩擦速度的增大,Ni-P/Ti/DLC多层膜的摩擦系数呈下降趋势,磨损率和磨损体积呈先减后增的趋势。不同载荷下的摩擦系数变化幅度较小,磨损率和磨损体积随着载荷的增大呈增加的趋势。随着加热温度的升高,摩擦系数呈下降趋势,磨损率和磨损体积呈先增后减的趋势。此外,随着加热温度的升高,多层膜表层DLC膜中石墨相逐渐增多,硬度和弹性模量随之呈先增后减的趋势。结论较高摩擦速度下,多层膜表层DLC膜石墨化趋势增强,摩擦系数变化幅度较大,且表面磨痕宽度和深度显著增加,磨损加剧。多层膜中软质的Ti金属层和硬质的DLC层,能有效提高多层膜在高载荷下的摩擦磨损性能。随着加热温度的升高,多层膜表层DLC膜中石墨相逐渐增多,摩擦过程更易生成转移膜。     

High-temperature surface alloying of nanocrystalline nickel produced by surface mechanical attrition treatment

A nanocrystalline surface layer is synthesized in Ni by surface mechanical attrition treatment (SMAT). The characterization of microstructure and composition indicates that foreign elements from hardened balls can permeate and diffuse into the surface layer during SMAT, which can further diffuse and homogenize in the surface layer when annealing at high temperature, leading to formation of new alloy. Foreign elements permeating into the surface layer during SMAT followed by diffusing and homogenizing at high temperature provide an alternative effective technology for surface modification.     

球墨铸铁轧辊表面镍基激光合金化层及其磨损性能

采用激光合金化技术在球墨铸铁QT600-3表面制备镍基合金强化层,通过XRD、SEM和摩擦磨损试验等研究了不同激光扫描速率对合金化层物相、微观结构、力学性能、常温和高温摩擦学性能的影响,并使用Raman光谱仪对磨痕进行分析。结果表明:Ni合金化层与基体冶金结合好、显微硬度高(高达720 HV0.1)、高温摩擦因数低至0.305、高温磨损率低至7.55×10^-6 g·N^-1·m^-1。随着扫描速率的增加,显微组织更加致密,显微硬度先升高后降低,700 ℃耐磨性能提高,但合金化层裂纹率增加。高温摩擦磨损过程中,合金化层的磨损机制以磨粒磨损为主,同时还存在疲劳磨损和氧化磨损。同时,扫描速率的增加可细化晶粒和提高显微硬度。而Ni合金化层表面在高温摩擦过程中形成的氧化产物和碳化物在高温下会对提高其耐磨性能产生积极作用。     

表面机械研磨处理中的扩散现象及其对纳米晶Fe-30wt%Ni合金磁性能的影响

应用表面机械研磨处理(SMAT)工艺在Fe-30 wt%Ni合金上制备出纳米晶表层,同时伴随形成了应变诱发马氏体.通过对表层形貌和成分的表征,发现在SMAT过程中钢球的Fe、Cr元素扩散入Fe-30 wt%Ni合金样品的表层,从而导致了表层成分的变化.这种成分的差异使纳米晶Fe-30 wt%Ni合金的磁性能不同于原始合金,如室温饱和磁化强度(Ms)降低和居里温度(Tc)升高.     

自钝化W-Cr-Y合金层的制备及其抗氧化性能

为防止或缓解钨氧化,用双辉等离子体表面冶金技术在纯钨基材表面制备了W-Cr-Y自钝化合金层。采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对合金层的组织和相结构进行了分析,并在模拟发生核聚变发电站冷却失效事故时的高温大气环境下对合金层的抗氧化性能进行了研究。结果表明,制备温度为800、900、1000和1100℃时,均成功地在纯钨表面形成了由W(Cr, Y)固溶体构成的厚度超过20μm的W-Cr-Y合金层。制备温度为1000℃时合金层厚度达到了35μm,表面光滑致密,合金层与纯钨基体呈现良好、无缺陷的冶金结合。制备温度较低(800℃和900℃)时,合金层在1000℃氧化10 h后的表面未形成连续的自钝化合金层,抗氧化性能较差。制备温度较高(1000℃和1100℃)时,合金层在氧化后形成了致密平整的氧化层,且制备温度为1000℃时合金层氧化后的质量增加最小,抗氧化效果最优。     

Effects of Thermally Assisted Warm Laser Shock Processing on the Microstructure and Fatigue Property of IN718 Superalloy

The effects of laser shock processing (LSP) and warm laser shock processing (WLSP) on the microstructure of surface hardening layer and high-cycle fatigue performance at room temperature and high temperature (600 ℃) of IN718 alloy were investigated.It has been revealed that the grain refined hardening layer with greater residual compression stresses,higher fraction of coincidence site lattice (CSL) boundaries and dislocation densities was formed in WLSP-treated alloy than in LSP-treated alloys.Moreover,microtwins included γ" phase/high density dislocation complex was found in the surface of WLSP-treated alloy.These characters caused the significant enhancement of the medium value fatigue strength of WLSP-treated alloy at room temperature and elevated temperature.Apparently,the microtwins included y" phase/high density dislocation complex formed in the surface hardening layer of LSP-treated alloy has more complicated steric structure and more stable at elevated temperature than γ" phase/low density dislocation complex formed in LSP-treated alloy,leading to the slow recovery process.Therefore,the surface hardening layer in the WLSP-treated alloy remained more ideal strengthen-ing effect under high-cycle fatigue at elevated temperature than that in LSP-treated alloy.This resulted in the much longer fatigue crack initiation incubation and longer high-cycle life of WLSP-treated IN718 alloy under cycling load at 600 ℃.This discovery provides a new cognition of fatigue resistance by WLSP treatment of precipitation strengthening superalloy.     

TC4钛合金高温氧化行为

研究了TC4钛合金在650、750、850℃的循环氧化和25~1000℃范围内的连续变温氧化的氧化行为。采用电子天平或综合热分析仪、XRD、SEM和EDS分析了合金的氧化动力学、氧化膜的物相、表面形貌、截面结构及元素分析。结果表明:650℃循环氧化和连续变温氧化动力学曲线符合抛物线规律、750℃循环氧化符合抛物线-直线混合规律、850℃循环氧化符合直线规律。氧化膜由薄而致密的Al_2O_3外层和厚而疏松的TiO_2内层组成。随氧化温度升高,氧化膜厚度增加,但出现裂纹或剥落。