纳米尺度单晶氧化镓摩擦磨损性能试验研究

目的 分析单晶氧化镓在纳米尺度下的摩擦磨损性能,为金刚石磨料对氧化镓晶体的精密研磨加工提供理论依据.方法 在G200纳米压痕仪上,使用Cube Corner金刚石压头,对单晶氧化镓的(010)和(100)晶面进行了摩擦磨损试验,利用原子力显微镜观测试验后的形貌并测量尺寸.结果 在金刚石以不同速度摩擦单晶氧化镓时,(010)和(100)晶面的划痕宽度与摩擦速度的拟合直线的斜率分别4.05769和7.63462,深度与摩擦速度拟合直线的斜率分别为0.82073和0.79862.以不同载荷摩擦氧化镓时,(010)和(100)晶面的划痕宽度与载荷的拟合直线的斜率分别为47.625和46.750,深度与载荷拟合直线的斜率分别为23.764和31.9546.在多次重复摩擦磨损试验中,摩擦次数从1次增加到10次,划痕的深度从571.22 nm增加到2964.81 nm,划痕宽度从889.34 nm增加到7360 nm.结论 在干摩擦状态下,金刚石压头的摩擦速度对氧化镓的摩擦系数、磨损影响不大.在低载荷下,氧化镓的磨损以塑性变形引起的材料去除为主,在载荷增大到一定值时,磨损转变为脆性材料去除的形式,出现裂纹、剥落和碎屑等,磨损增大.氧化镓(100)晶面由于硬度低、易解理,比(010)晶面更容易磨损.     

离子注入对单晶锗力学性能影响的分子动力学研究

为改善单晶锗的硬脆力学特征,用分子动力学模拟方法研究了3种不同剂量的离子注入对单晶锗表面的改性机理。分析结果表明,离子注入对锗基体造成了非晶相损伤,纳米压痕过程表现为晶格演化。纳米压痕结果揭示了非晶相的存在能够降低单晶锗的硬度和脆性,提高塑性。此外,锗基体的非晶相损伤程度和硬度与离子剂量有关。随着剂量的增加,非晶损伤程度加深,硬度降低。     

单晶锗微纳米尺度脆塑转变机理研究

为了考察单晶锗微纳米尺度脆塑转变机理,利用纳米压痕仪分别对单晶锗(100)、(110)和(111)晶面进行纳米划痕实验,并利用原子力显微镜和扫描电子显微镜对划痕形貌进行观察。通过对划痕深度-距离曲线及划痕形貌进行分析,获取各晶面脆塑转变临界载荷和临界深度。实验结果表明：单晶锗具有强烈的各向异性,(100)、(110)和(111)晶面脆塑转变临界载荷分别为37.6 mN、30.5 mN和32.4 mN,临界深度分别为594.7 nm、512.5 nm和536.6 nm。(100)晶面因其具有最小硬度、最深脆塑转变深度,在划痕过程中塑性去除最多,脆塑转变最晚,而且随着划痕速度的增加,脆塑转变临界深度和临界载荷也相应增加。最后定载荷划痕实验验证了脆塑转变临界载荷和临界深度的正确性。     

镁合金表面磁控溅射DLC/SiC薄膜的纳米压痕与摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在镁合金(AZ91D)表面制备出DLC/SiC(类金刚石/碳化硅)双层薄膜(SiC为中间层),研究了薄膜的纳米压痕行为、膜基黏附力和膜基系统的摩擦磨损性能.结果表明:DLC薄膜具有低的纳米硬度(3.05 GPa)、低的弹性模量(24.67 GPa)和高的硬弹比(0.122);膜基系统具有高的界面黏附力和好的摩擦磨损性能;在以氮化硅球为对摩件的室温干摩擦条件下其磨损速率在10~(-6)mm~3·m~(-1)·N~(-1)级,摩擦系数约为0.175.分析表明:膜基系统具有的良好抗磨性能与其薄膜具有高的塑性和硬弹比、膜基系统具有好的弹性模量匹配是相一致的;DLC薄膜具有的不寻常力学行为(很低的硬度和弹性模量等)与其基材是镁有关.     

金属-纳米金刚石复合镀层的摩擦磨损性能

本文研究在正交优化工艺条件下获得的镍-钴-纳米金刚石复合电镀层的摩擦学性能，镀层致密无孔隙．讨论了纳米金刚石的加入对镀层组织的影响。结果表明，纳米金刚石的加入，使镍-钴合金层的组织细化，不加纳米金刚石的镀层晶粒尺寸约为0．5—0．6μm，加纳米金刚石的镀层晶粒尺寸约为0．1-0．2μm。镍钴合金镀层的摩擦系数为0．35左右，寿命在摩擦半径为14m时平均为0．022km。纳米金刚石复合镀层摩擦系数为0．3左右。镀层寿命在摩擦半径为14m时为0．15km。并使摩擦磨损性能显著提高。     

纳米压痕法研究单晶Al3Sc相的硬度和杨氏模量

使用EBSD和纳米压痕法研究毫米级块状单晶Al₃Sc对应的取向、硬度和杨氏模量。试验结果表明,选用过共晶Al-Sc合金加热至液态后缓慢冷却(60 ℃/h)可以得到毫米级单晶Al₃Sc,通过EBSD和纳米压痕法得到五个不同取向(567)、(139)、(124)、(113)和(144)单晶Al₃Sc的硬度在3.7~4.3 GPa,复合弹性响应模量在143.6~146.1 GPa。对比不同泊松比下各取向的杨氏模量理论值与试验值,发现泊松比为0.188时二者之间差异最小,对应各取向的杨氏模量试验值在157.5~160.6 GPa。     

基于纳米划痕仪的单晶锗纳米沟槽加工实验研究

为了提高纳米锗器件的制造精度,使用纳米划痕仪对单晶锗进行纳米沟槽刻划加工实验,采用扫描电子显微镜对沟槽形貌进行观察,并通过三维白光干涉表面形貌仪测量其三维形貌尺寸,研究了切削速度、施加的垂直载荷及刻划次数对单晶锗纳米沟槽形貌的影响。建立了垂直载荷和刻划次数与沟槽深度及宽度的线性拟合曲线和幂函数拟合曲线,并进行分析。结果表明,单晶锗纳米沟槽的宽度和深度随切削速度的变化非常小,随着垂直载荷的增大,刻划次数的增多而逐渐增大。曲线的拟合度很高,能够对制造纳米沟槽的深度和宽度进行较为准确的预测,从而可以降低工件表面粗糙度,提高工件表面质量。     

纳米SiCp增强AZ91D复合材料的摩擦磨损性能

采用超声波分散法制备了纳米SiCp增强AZ91D复合材料,研究了基体及复合材料在干滑动摩擦情况下的摩擦磨损性能.结果表明,与基体镁合金相比,复合材料的硬度、耐磨性都有显著提高.随着SiCp含量的增加,复合材料的耐磨性也逐渐增强.用激光扫描显微镜对试样的磨痕进行了分析,发现AZ91D的磨损机制以严重的粘着磨损即擦伤磨损为主,而复合材料的磨损机制以磨粒磨损为主,纳米SiCp的加入改变了材料的磨损机制.     

钨单晶纳米压痕尺寸效应研究

利用纳米压痕仪和扫描探针显微镜对高纯钨单晶的载荷-位移曲线、弹性模量、压痕形貌、纳米硬度-加载深度以及弹性回复率的变化情况进行了研究。结果表明,W(111)晶面在加载和卸载过程中分别经历了弹性变形和塑性变形阶段,荷载-位移曲线未出现不连续现象,表明在加载过程中压痕内部未产生裂纹或脆性断裂;钨单晶的残余压痕表现出堆积形貌,表明钨单晶有较低的加工应变硬化趋势;采用连续刚度法测量了钨单晶的纳米压痕硬度以及弹性模量,结果表明,钨单晶纳米压痕硬度和弹性模量存在尺寸效应,即随着加载深度的增加,单晶的纳米压痕硬度和弹性模量减小;采用 Nix-Gao 模型对钨单晶的纳米压痕力学特征和进行了分析,计算了钨单晶的微观特征长度（h^*）为1490nm,无压痕尺寸效应时的纳米硬度值（H_0）为6.79GPa,尺寸效应因子（m）为0.18,即压入深度小于1490nm时,钨单晶具有明显的尺寸效应,当压入深度超过1490nm时,尺寸效应将减弱。当压入深度超过2450nm时,钨单晶的纳米尺寸效应将消失。     

单晶锗纳米切削温度场分布及各项异性对切削温度的影响研究

为深入理解单晶锗纳米切削特性,提高纳米锗器件光学表面质量,首次采用三维分子动力学(MD)的方法研究了单晶锗纳米切削过程中工件原子的温度分布情况,研究了晶体的各向异性(100), (110), (111)晶面对切削温度的影响及切削温度对切削力的影响。结果表明,在切削过程中最高切削温度分布在切屑当中,达到了460K。刀具的后刀面与已加工表面之间的区域也有较高的温度,在400K以上。在三个不同的晶面中,(111)晶面的切削温度最高,其根本原因是由于不同晶面间的原子空间结构不同,(111)晶面的原子密度最大即为单晶锗的密排面,释放出的能量最多。切削温度对切削力也有影响,切削温度越高,工件中原子受到的切削力越小。     

固结磨料球对氟化钙晶体摩擦磨损性能的影响

目的通过改变固结磨料球的基体和磨料特性,研究氟化钙晶体的摩擦磨损性能,为超精密加工中研磨抛光氟化钙晶体固结磨料垫的选择提供指导。方法基于固结磨料加工技术制备固结磨料球,并与氟化钙晶体对磨。研究固结磨料球的磨料种类(金刚石和氧化铈两种磨料)、基体硬度、磨粒粒径对摩擦系数、划痕截面积、划痕处粗糙度的影响。结果金刚石磨料对磨的晶体表面划痕截面积S=480μm2,划痕处粗糙度Ra=85.3 nm,摩擦系数的平均值μ=0.537;氧化铈对磨磨料的S=307μm2,Ra=74.7 nm,μ=0.543。与氧化铈相比,金刚石磨料对磨的晶体表面产生划痕截面积、划痕处的粗糙度均较大,摩擦系数达到稳定的时间短,且摩擦系数的平均值较小。随着基体硬度增大,产生的划痕截面积逐渐增大。当基体硬度适中时(Ⅲ型基体),划痕截面积趋于稳定,S稳定在450μm2左右,此时划痕处粗糙度值也最小,为85.8 nm。在基体Ⅲ、Ⅳ两处,划痕截面轮廓的对称性较好。随着基体硬度增加,摩擦系数达到稳定的时间逐渐减小,动荡幅度也减小,但摩擦系数平均值增大。随着磨粒粒径增大,划痕截面积和划痕处的粗糙度值均增大,摩擦系数达到稳定的时间增加,且摩擦系数平均值增大。结论在选择固结磨料垫加工氟化钙晶体时,应选择金刚石磨料和基体Ⅲ,而磨粒粒径则需根据材料去除率和表面质量的要求做出相应选择。     

一种镍基单晶高温合金持久各向异性行为

研究了一种镍基单晶高温合金DD499的[001],[011]和[111]3个晶体取向在典型应力条件下的持久性能。结果表明,持久寿命的取向依赖性与温度和应力有关。760℃,790MPa时,[001]取向的持久寿命明显高于[011]和[111]取向;1040℃,165MPa时,持久寿命由大到小顺序为[111]>[001]>[011],但不同取向的各向异性减弱。利用SEM观察持久断裂后的断口和组织结构表明,760℃,790MPa时,[001]取向试样的断裂特征为解理和准解理混合型断裂,[011]取向为单系滑移引起的剪切断裂,而[111]取向为多系滑移引起的剪切断裂;1040℃,165MPa时,3种取向都为微孔聚集型断裂。     

钛合金摩擦磨损性能及减磨方法研究进展

钛合金具有比强度高、抗腐蚀性强、耐高温以及生物相容性好等优点,在汽车制造、生物医疗等众多领域具有重要应用。但钛合金的摩擦磨损性能较差,会影响机械系统的使用寿命和可靠性。首先论述了摩擦磨损过程中摩擦层的形成过程以及摩擦层对钛合金磨损机理的作用,分析了润滑条件、环境温度、滑动速度、载荷等工况条件对钛合金摩擦磨损性能的影响规律。其次,对比总结了钛合金减磨的常见工艺方法及优缺点,指出了当前钛合金磨损机理研究和性能改善方面存在的问题。最后,对今后的研究工作进行了展望:将实验与仿真相结合,阐明钛合金摩擦层和磨损机理的动态变化规律;考虑各种环境因素对钛合金磨损机理的影响,完善钛合金磨损机制图;通过对多种技术协同配合时的工艺参数进行优化,促进钛合金表面强化复合技术的发展,从而提升钛合金的耐磨减摩性能。     

无保护层纳秒脉冲激光强化对DD5单晶合金耐磨性能的影响

目的 提高发动机涡轮叶片榫头材料DD5单晶高温合金的高温耐磨性能。方法 采用不同能量的无保护层纳秒脉冲激光对DD5单晶合金试样表面进行处理,利用摩擦磨损试验机获得DD5单晶合金在650 ℃下的摩擦磨损性能参数,并通过显微硬度计、扫描电子显微镜、能谱仪、共聚焦三维表面轮廓仪对磨损前后的DD5单晶试件进行表征分析,揭示纳秒脉冲激光强化技术提高单晶高温合金耐磨性能的机理。结果 采用纳秒脉冲激光处理DD5单晶高温合金后,材料表层发生了重熔现象,并在重熔层中生成了弥散分布的铝的氧化物颗粒,其粒径为5~50 nm;纳秒脉冲激光处理后产生的弥散分布的氧化铝颗粒为硬质相,它提升了单晶表面的显微硬度;经纳秒脉冲激光处理后,试样的磨损率降低了19.7%~37.6%,单晶合金的磨损机制以磨粒磨损为主。结论 经纳秒脉冲激光处理后,单晶表面生成了含有弥散分布的纳米氧化铝颗粒的重熔层,在它与激光诱导的等离子体冲击波产生的硬化层的共同作用下,提升了镍基单晶高温合金在高温下的耐磨性能。     

非晶层对单晶锗纳米切削影响的分子动力学研究

为探究非晶层结构对单晶锗纳米切削机制和力学特性的影响,采用分子动力学方法模拟不同非晶层厚度的非晶-晶体层状结构(A-C模型)的纳米切削过程.对纳米加工中切削力波动规律,应力状态,亚表面损伤和材料去除等关键问题进行分析.结果 表明:非晶锗(A-Ge)厚度的增加使得切削力和应力减小,切削温度升高;材料的可塑性随着A-Ge厚...     

激光织构形状间距对单晶硅摩擦磨损特性的影响

目的 提高单晶硅的减摩耐磨性能。方法 利用紫外激光在单晶硅试样表面刻蚀不同形状,间距为0.1、0.2、0.3 mm,宽度为0.2 mm的织构。基于MRTR-1摩擦磨损实验机,研究干摩擦条件下织构参数对单晶硅摩擦学性能的影响。利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察单晶硅表面织构的微观形貌和磨痕形貌,用电子天平称量实验前后试样的质量,并计算磨损率,通过Ansys有限元软件模拟仿真试样表面应力和摩擦生热的温度分布。结果 与无织构相比,刻蚀表面织构均能不同程度地降低试样的磨损率,磨损率从0.012 mm³/(N.m)降至0.008 mm³/(N.m);部分表面织构试样的摩擦因数下降,低于0.14;单晶硅试样的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损。仿真结果表明,织构试样的平均等效应力均大于无织构试样,在单晶硅试样表面加工织构会影响其表面整体性,容易出现应力集中现象;织构试样表面高于环境温度的区域面积小于无织构试样,且试样表面的最高温度与摩擦因数呈正相关。结论 在单晶硅表面加工织构,可以有效提高试样的耐磨性能,合适的织构参数还能够降低摩擦因数。通过加工表面织构,一方面可以影响试样的整体性,另一方面能够改善试样的散热性能。     

银-石墨烯复合材料的滑动摩擦磨损性能

采用球磨混粉、冷等静压和真空烧结的工艺流程制备了含0.5%~2.0%石墨烯的银-石墨烯复合材料,并对复合材料进行销盘式摩擦磨损试验以研究其大气环境滑动摩擦磨损性能。研究结果表明,因石墨烯易团聚,石墨烯含量限于1.5%时能够有效改善复合材料的性能。与未增强的银相比,由于在接触表面形成自润滑碳质膜,银-石墨烯复合材料表现出较低的摩擦系数、较少的磨损量和较低的接触表面温度。随石墨烯含量的增加,复合材料的摩擦系数和磨损量均下降。复合材料的主要磨损机制为粘着磨损和磨料磨损。