Cu含量对NbCN-Cu复合膜微结构、力学性能及摩擦磨损性能的影响

利用高真空磁控溅射仪制备了不同Cu含量的NbCN-Cu复合膜。采用X射线光电子能谱、X射线衍射仪、纳米压痕仪、扫描电镜、三维形貌仪和摩擦磨损仪对薄膜的微观结构、力学性能以及摩擦磨损性能进行了分析。结果表明,NbCN-Cu复合膜为面心立方δ-NbN、六方δ'-NbN和单质Cu相三相共存结构。随Cu含量增加,NbCN-Cu复合膜的硬度值先缓慢上升再迅速下降,Cu含量为2.27%时,获得最大硬度,为31.43 GPa。室温下,随Cu含量的增加,NbCN-Cu复合膜的摩擦系数先缓慢上升再快速上升,磨损率先缓慢下降再快速上升。当温度从室温温度上升到500℃,不同Cu含量的NbCN—Cu的摩擦系数均先升高后降低,磨损率逐渐上升,温度一定,Cu含量越高,磨损率越高;300~500℃内,温度一定,Cu含量越高,NbCN-Cu复合膜的摩擦系数越低。     

Ag掺杂对CrN薄膜结构、摩擦学性能和腐蚀性能的影响

为明确Ag含量对CrN-Ag纳米复合薄膜组织、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响规律,利用多靶反应磁控溅射技术制备CrN及CrN掺Ag纳米复合薄膜,并采用扫描电子显微镜结合能谱仪(SEM-EDS)、X射线衍射仪(XRD),球-盘摩擦试验机和电化学工作站对2种薄膜的微观组织、摩擦学行为和电化学腐蚀行为进行表征。结果表明：少量Ag元素(9.19%,原子分数,下同)的添加可以提高CrN-Ag纳米复合薄膜的致密度,而过量Ag元素的掺杂(29.58%)则会造成薄膜结构疏松,且引起Ag颗粒在表面富集。复合薄膜的摩擦系数随着Ag含量的增加而降低,高Ag含量(29.58%)薄膜的摩擦系数在摩擦时间为100 s内时低至0.40,而磨损率则随着Ag含量的增加表现出先降低后升高的趋势。CrN-Ag(L)复合薄膜的磨损率低至2.25×10^-6 mm³/(N·m),相比于未添加Ag的CrN薄膜,磨损率下降了64.9%。由电化学分析可知,低含量的Ag可增强CrN-Ag(L)复合薄膜的耐腐蚀性能,而过量的Ag则会造成CrN-Ag(H)薄膜耐腐蚀性的显著下降。     

CrSiN-Ag薄膜的制备及性能

为拓宽氮化物薄膜的应用范围、研究Ag元素的加入对CrSiN-Ag薄膜性能的影响,采用射频磁控溅射在单晶硅Si(100)和304不锈钢上制备了不同Ag含量的CrSiN-Ag薄膜,利用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪、摩擦磨损仪和三维形貌仪等对薄膜的成分、微观结构、力学和不同温度下的摩擦磨损性能进行表征。结果表明:CrSiN-Ag薄膜呈面心立方(fcc)结构,Ag以晶态的形式存在于CrSiN薄膜中;随着Ag含量的增加,CrSiN-Ag薄膜的硬度先升高后逐渐降低,当Ag含量增加到6.84%(原子分数)时硬度最大,为26.55 GPa。室温时,CrSiN-Ag薄膜的摩擦系数随着Ag含量的增加而减小,磨损率随着Ag含量的增加先减小后增大;当Ag含量为6.84%时,CrSiN-Ag薄膜的高温摩擦系数随着温度的升高先增加后减小,磨损率随着温度的升高而增加。     

碳含量对NbVCN薄膜的微观结构、力学及摩擦磨损性能的影响

采用磁控溅射法制备了不同C含量的NbVCN薄膜,研究了C含量对NbVCN薄膜微观结构、力学及摩擦磨损性能的影响。结果表明:四元NbVCN薄膜微观结构受C含量影响显著,当C含量小于6.3%,薄膜为fcc-NbN+hcp-NbN两相共存;随含量的进一步升高,薄膜中出现非晶石墨相,此时薄膜三相共存,为fcc-NbN+hcp-NbN+amorphous-graphite。NbVCN薄膜硬度随C含量的升高先上升后下降,当C含量为6.3%时,薄膜硬度最高,其最高值为29 GPa。室温下,NbVCN薄膜平均摩擦系数随C含量的升高逐渐降低,当C含量为15.3%时,薄膜平均摩擦系数最低,其最低值为0.34;随C含量的升高,NbVCN薄膜磨损率先降低后升高,当C含量为6.3%时,薄膜磨损率达到最小值,其最小值为1.86×10~(-8)mm~3·N~(-1)mm~(-1)。环境温度在200~700℃时,C含量为6.3%的薄膜的平均摩擦系数随着温度的升高逐渐降低,在700C时,薄膜获得最低摩擦系数,其最低值为0.53;薄膜的磨损率随温度的升高逐渐升高。     

TC4合金表面磁控溅射W-Al-N复合膜的摩擦磨损和高温抗氧化性能

目前,在WN中加入Al制备多元复合膜的研究国内外报道较少。通过射频磁控溅射法,以不同Al靶功率在Si(100)和TC4合金上制备了不同Al含量的W-Al-N复合膜。采用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、纳米压痕仪(CSM)、摩擦磨损试验机、高温氧化试验研究了W-Al-N复合膜的微结构、力学性能、摩擦磨损性能及高温抗氧化性能。结果表明:随着Al含量的增加,W-Al-N复合膜的择优取向发生变化,(111)和(220)衍射峰逐渐消失,复合膜主要呈(200)择优取向生长;复合膜的硬度先增加后减小,当Al含量为32.40%(原子分数,下同)时硬度达到最大值37 GPa,此时表征复合膜抵抗塑性变形能力的变量H~3/E~(*2)也达到最大值0.308;室温下,随Al含量的增加,W-Al-N复合膜的摩擦系数与单层WN薄膜的相比变化不大,磨损率先降低后增大,在硬度最大处得到磨损率最低值9×10~(-9)mm~2/N;W_(0.676)Al_(0.324)N复合膜的摩擦系数在200℃时降低,随后随温度的升高先增大后减小;Al的加入提高了复合膜的高温抗氧化性能,起始氧化温度由WN单层膜的400℃提高到复合膜的800℃。     

V含量对TaVN复合膜微结构、力学性能和摩擦性能的影响

采用磁控溅射仪制备了一系列不同V含量的TaVN复合膜, 利用X射线衍射仪研究复合膜以及磨痕的相组成, 利用纳米压痕仪表征复合膜的硬度, 采用高温摩擦磨损实验机研究了复合膜的室温和高温摩擦性能。结果表明: TaVN复合膜的微结构为面心立方结构, 随着V含量的增加, 衍射峰择优取向由(200)转变为(111); TaVN薄膜的显微硬度随着V含量增加, 先增加后降低, 在V含量为18.25at%时, 显微硬度达到最大值, 为32.3 GPa; 在常温下, TaVN复合膜的摩擦系数随着V含量的增加而降低; 当温度从室温升高到800℃, 薄膜的摩擦系数先升高后降低。采用晶体化学理论讨论了TaVN复合膜和TaN单层膜在高温下的摩擦机理。     

C含量对WAlCN复合膜的微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响

采用磁控溅射物理气相沉积法沉积了不同含C量(0~20.7%(原子比))的WAlCN复合膜。利用X射线衍射和Raman表征了WAlCN膜的微结构;用扫描电镜、压痕仪和高温摩擦磨损仪等研究了其力学和摩擦磨损性能。结果表明:复合膜是由石墨相和面心立方的WAlN相构成,呈(200)择优生长。当WAlCN复合膜含C量增加时,它的硬度值会先升高后降低,当复合膜含C量达到11.2%时硬度出现最大值,约为37.7 GPa。加入C元素减少了WAlCN膜的摩擦系数,而其磨损率则先减小后增大。当WAlCN复合膜含C量达到20.7%时,摩擦系数值最小为0.25,此时磨损率为1.44×10~(-8)mm~3/N·mm。总之,加入C元素后显著提高了WAlCN膜的综合性能。     

微弧氧化/磁控溅射复合涂层对镁微观结构与摩擦性能的影响

镁基材料表面进行微弧氧化处理(MAO)制备的多孔结构的陶瓷涂层在干摩擦环境下的摩擦系数较高,本文采用微弧氧化结合非平衡磁控溅射技术在纯镁基体表面制备出了MAO/CrN复合涂层。通过扫描电镜、显微硬度测试、X射线衍射仪能谱、摩擦磨损实验等手段研究了复合涂层的形貌、成分及摩擦磨损性能。结果表明:MAO/CrN复合涂层相比单层的MAO涂层力学与摩擦性能得到显著提高,其中硬度升高48%,载荷为1 N时的平均摩擦系数降低32.3%,转速为700 r/min时,磨损率降低达到74%。CrN/MAO复合涂层与WC硬质合金球在干摩擦过程中,在表层CrN涂层被磨穿之前,复合涂层磨损形式以黏着磨损和疲劳磨损为主。在表层CrN涂层被磨穿MAO涂层未被磨穿前,复合涂层的磨损形式以三体磨粒磨损为主。     

TiSiN-Ag磁控溅射薄膜的微结构和性能

为了研究Ag元素对Ti Si N薄膜结构及性能的影响,通过磁控溅射法制备了不同Ag含量的Ti Si N-Ag薄膜,采用EDS,XRD,XPS,TEM,CSM纳米压痕仪,UMT-2摩擦磨损仪和BRUKER三维形貌仪对薄膜的成分、微结构、力学性能和摩擦磨损性能进行了研究。结果表明:Ti Si N-Ag薄膜是由面心立方Ti N相、非晶Si3N4相和面心立方单质Ag相组成,单质Ag相的存在阻碍Ti N晶粒的生长;随Ag原子分数的增加,单质Ag相增加,导致Ti Si NAg薄膜的硬度和弹性模量逐渐下降;单质Ag相具有润滑作用,使薄膜硬度降低,磨痕中的硬质颗粒减少,摩擦系数从0.70降至0.39,磨损率也逐渐降低。     

ZrO_2含量对TC4钛合金微弧氧化复合膜摩擦磨损性能的影响

为了提高钛合金微弧氧化膜的耐磨性,向电解液中加入ZrO_2微粒,在TC4钛合金表面制备了不同ZrO_2含量的微弧氧化复合膜。采用涡流测厚仪测量复合膜的厚度;采用扫描电镜分析复合膜形貌;采用X射线衍射仪分析复合膜相组成;采用能谱仪分析复合膜中ZrO_2的含量;采用摩擦磨损试验研究复合膜在室温条件下的摩擦磨损性能。结果表明:复合膜中出现的ZrO_2新相降低了氧化膜的摩擦系数和磨损率;当复合膜中ZrO_2含量依次为2.70%,9.20%,14.09%,23.59%,42.78%时,平均摩擦系数先减小后增大,分别为0.45,0.40,0.30,0.26,0.35,比磨损率先减小后增大,分别为8.35×10~(-7),7.26×10~(-7),6.92×10~(-7),2.70×10~(-7),3.01×10~(-7)mm~3/(N·m);当复合膜中ZrO_2含量为23.59%时,复合膜摩擦系数最小,最稳定,比磨损率最小;随着ZrO_2在复合膜中含量的提高,ZrO_2载荷转移和自润滑作用增强,摩擦系数和比磨损率减小,但当ZrO_2含量增加至42.78%时,ZrO_2在复合膜表面团聚,使磨粒磨损和黏着磨损加剧,复合膜的摩擦磨损性能降低。     

空心玻璃微珠/超高分子量聚乙烯复合材料低速重载工况下的摩擦磨损性能

为提升超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料在低速、重载工况下的摩擦磨损性能,使用经偶联剂表面处理的空心玻璃微珠(HGM)对UHMWPE进行填充改性,通过热压成型工艺制备HGM/UHMWPE复合材料。对HGM/UHMWPE复合材料的硬度、结晶度等进行表征,并对该材料进行干摩擦环境下的重载球盘往复摩擦试验以测定其摩擦磨损性能。结果表明,添加少量HGM可以提高UHMWPE的硬度与结晶度。当摩擦时间较短时,加入HGM会在一定程度上增大UHMWPE的摩擦系数,同时磨损率随复合材料中HGM含量的增加而先降低后升高,当HGM含量为1wt%时,复合材料磨损率最低,在50 N与100 N两种法向载荷的摩擦试验中相比于纯UHMWPE磨损率分别降低44.7%与48.4%。随着摩擦时间的增长,复合材料摩擦系数与磨损率均有不同程度的升高。当摩擦时间达到120 min时,HGM含量为2wt%的复合材料平均摩擦系数最低。此时添加少量HGM的HGM/UHMWPE复合材料在磨损率上与纯UHMWPE磨损率接近。     

环境温度对W_2N/Cu薄膜摩擦磨损性能的影响

利用射频磁控溅射仪制备W2N/Cu薄膜,采用高温摩擦磨损试验机、X射线衍射、扫描电镜和Bruker三维形貌仪对摩擦磨损性能及磨痕的相结构、形貌进行表征,采用"绝热法"定量计算了薄膜磨痕处所含物相的相对含量。实验表明,W2N/Cu薄膜的摩擦系数受环境温度的影响不明显;而磨损率和磨痕处产生的氧化物相对含量均随环境温度增加逐渐变大。分析表明,W2N/Cu薄膜的摩擦系数主要与磨痕中具有减摩作用的氧化相的量有关;而其磨损率主要与磨痕中具有层状结构的氧化相的量有关。     

Al_2O_3/CrN_x复合膜的摩擦磨损特性

为改善铝合金零部件的摩擦磨损特性,采用微弧氧化和射频磁控溅射技术,在2A12铝合金表面制备Al2O3/CrNx复合膜。用X射线衍射仪、涡流测厚仪、纳米硬度仪、微摩擦磨损试验机、非接触表面三维形貌仪及扫描电镜对Al2O3涂层及复合膜的相组成、膜厚、纳米硬度、摩擦磨损特性和磨痕形貌等进行了研究。实验结果表明:32μm厚的多孔Al2O3陶瓷涂层由α-Al2O3和γ-Al2O3相组成,外层1.2μm厚的CrNx膜由单质Cr,Cr2N和CrN相组成;Al2O3涂层及Al2O3/CrNx复合膜的摩擦因数和磨损率都随法向载荷的增加而增大,在相同实验参数下,复合膜的摩擦因数和磨损率都远小于Al2O3涂层的,这表明在Al2O3涂层表面沉积CrNx膜能明显改善其摩擦磨损特性,将延长对偶件的使用寿命。     

脉冲激光沉积VN/Ag复合薄膜的组织及摩擦学性能研究

利用脉冲激光沉积技术制备了不同Ag含量的VN/Ag复合薄膜,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、纳米力学测试系统等设备表征薄膜的组织结构、成分、表面形貌及力学性能,利用UMT-3摩擦试验机考察薄膜在室温至900℃下的摩擦学性能。结果表明,随着Ag含量的增多,薄膜的组织形貌变差,硬度及弹性模量降低。当Ag含量为16%(原子分数)时薄膜在试验温度范围内的摩擦学性能最佳。由于Ag在低温的润滑特性及高温摩擦化学反应生成了新的润滑相,如V2O5、V6O11、V6O13、Ag3VO4、AgVO3等,使得摩擦系数随温度的升高而逐渐降低,在900℃下取得最低值0.08,实现了宽温域内的连续润滑。     

脉冲激光沉积VN/Ag复合薄膜的组织及摩擦学性能研究

利用脉冲激光沉积技术制备了不同Ag含量的VN/Ag复合薄膜,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、纳米力学测试系统等设备袁征薄膜的组织结构、成分、表面形貌及力学性能,利用UMT-3摩擦试验机考察薄膜在室温至900℃下的摩擦学性能.结果表明,随着Ag含量的增多,薄膜的组织形貌变差,硬度及弹性模量降低.当Ag含量为16％(原子分数)时薄膜在试验温度范围内的摩擦学性能最佳.由于Ag在低温的润滑特性及高温摩擦化学反应生成了新的润滑相,如V2O5、V6O11、V6O13、Ag3VO4、AgVO3等,使得摩擦系数随温度的升高而逐渐降低,在900℃下取得最低值0.08,实现了宽温域内的连续润滑.     

汽车半轴40Cr钢表面溅射W-Si-N涂层的力学性能和室温摩擦磨损性能

为了提高汽车半轴耐磨性,采用射频磁控溅射仪在汽车半轴用钢(40Cr钢)表面沉积了一系列不同Si含量的W-Si-N涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕仪和高温摩擦磨损仪等对W-Si-N涂层的结构、力学性能和高温摩擦磨损性能进行了表征。结果表明:W-Si-N涂层由面心立方的W-Si-N相和非晶Si3N4相组成,呈(200)择优生长;随Si含量增加,W-Si-N涂层的硬度先升高后降低,Si含量为13.2%时硬度达到最大值,约为37.0 GPa;室温环境下,随Si含量增加,摩擦系数和磨损率均呈先减小后增大趋势;Si含量为13.2%的WSi-N涂层的摩擦系数和磨损率均最小,分别为0.3和4.0×10-6mm3/(N·mm);与WN涂层相比,W-Si-N涂层的力学性能和室温摩擦磨损性能均得到显著提高。     

石墨烯/聚酰亚胺复合材料的力学和摩擦学性能

采用氧化石墨烯还原法制备了石墨烯,通过溶液共混法制备了石墨烯增强聚酰亚胺复合材料;研究了石墨烯/聚酰亚胺复合材料的力学和摩擦学性能及摩擦学作用机制。结果表明,随着石墨烯含量增加,复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和硬度均呈先上升后下降的趋势,而冲击强度呈先升高而后降低,再升高的趋势。当添加1.0%(质量分数)的石墨烯时,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率达到最大值,分别比纯聚酰亚胺提高了149%和652%。石墨烯的加入显著降低了聚酰亚胺复合材料的摩擦系数和磨损率;随石墨烯含量增加,复合材料的磨损率先下降后上升,而摩擦系数先显著降低,尔后平缓减小。随载荷增加,复合材料的磨损率呈平缓下降的趋势;而随滑动速率增加,磨损率呈上升趋势。石墨烯增强的聚酰亚胺复合材料的磨损机理为粘着磨损。     

磁控溅射NbSiN复合膜的微结构和性能

用磁控溅射方法制备了一系列不同Si含量的NbSiN复合薄膜。采用色散能谱仪、X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损仪表征复合膜的成分、微结构、力学性能以及室温和高温摩擦磨损性能。实验结果表明:NbSiN复合膜中只存在面心立方NbN结构,且呈(200)择优取向;Si的加入使复合膜硬度得到提高,Si含量为20.29%(原子分数)时硬度达到最大值32.1GPa,随着Si含量的进一步增加,复合膜的硬度逐步降低。室温和高温摩擦磨损实验结果表明,在室温时,NbSiN复合膜的平均摩擦因数在0.60～0.68之间,波动不大;而在650℃时,随着Si含量的增加,复合膜的平均摩擦因数从0.57降至0.42;650℃时的平均摩擦因数低于室温下的平均摩擦因数与氧化物的生成有关。     

活塞环表面CrN基复合膜的组织结构与摩擦副匹配机理研究

为降低活塞环与缸套摩擦副的磨损及延长活塞环的使用寿命,本文采用多弧离子镀在活塞环表面制备了CrN及CrTiAlN复合膜,比较研究了Cr电镀层与CrN,CrTiAlN复合膜的纳米硬度及高温摩擦磨损性能,采用X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱仪、纳米硬度仪和发动机台架试验装置,系统分析了CrTiAlN复合膜的成分、相结构、表面形貌、纳米硬度和抗高温摩擦磨损性能,研究结果表明:CrTiAlN复合膜的主要组成成分为Cr,Ti,Al,N,复合膜中含有CrN,Cr2N,TiN和非晶的AlN相。CrTiAlN复合膜表面组织致密,均匀分布着许多颗粒,最大的达400 nm以上,而最小的仅几十纳米。断面结构为纤维状的柱状晶组织。CrN,CrTiAlN复合膜比电镀Cr具有较优的力学性能和高温摩擦磨损性能,与缸套匹配性能良好,最后对三种活塞环涂层的摩擦副匹配机理进行了分析讨论。     

石墨/CNTs增强铝基混杂复合材料的微观组织与摩擦磨损性能

采用粉末冶金法制备了石墨/碳纳米管(CNTs)增强铝基复合材料,研究了石墨和碳纳米管对复合材料摩擦磨损性能及硬度的影响,并利用扫描电子显微镜观察了复合材料的显微组织、磨损表面形貌。结果表明:仅添加石墨的复合材料摩擦系数明显降低,而磨损率、硬度有少量降低;但是将石墨和碳纳米管混杂加入到复合材料中后,材料的摩擦系数明显降低,磨损率急剧升高,且材料的硬度随碳纳米管含量增加而逐渐下降。仅添加石墨的复合材料磨损形式主要是磨粒磨损和犁沟磨损,而添加石墨和碳纳米管的复合材料主要是剥层磨损。