CoCrMo合金表面掺金属类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用非平衡磁控溅射结合阳极型气体离子源技术在CoCrMo合金表面制备掺钨类金刚石薄膜(WDLC)和掺钛类金刚石薄膜(Ti-DLC)。利用努氏显微硬度计、结合力划痕仪、摩擦磨损试验机、表面形貌仪和洛氏硬度计表征膜层的力学性能,并用扫描电镜分析磨损形貌,探讨薄膜磨损机理。结果表明:所制备的2种薄膜均具有典型的DLC薄膜特征,W-DLC薄膜的硬度、结合力和摩擦磨损性能均优于Ti-DLC薄膜,更适合于CoCrMo合金的表面强化处理;CoCrMo合金的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,而Ti-DLC/CoCrMo和W-DLC/CoCrMo的磨损机制以滑动磨损为主伴随极少量的磨粒磨损;经DLC薄膜处理,摩擦因数从CoCrMo合金的0.578降低到0.2以下,磨损率也降低了2个数量级,大幅度地提高了CoCrMo合金的摩擦磨损性能。     

表面掺金属类金刚石薄膜大幅度提高CoCrMo合金的摩擦磨损性能

正中南大学材料科学与工程学院和广州有色金属研究院新材料研究所谭笛、代明江、林松盛、胡芳、周宏明、赵齐采用非平衡磁控溅射结合阳极型气体离子源技术在CoCrMo合金表面制备出掺钨类金刚石薄膜(WDLC)和掺钛类金刚石薄膜(TiDLC)。利用努氏显微硬度计、结合力划痕仪、摩擦磨损试验机、表面形貌仪和洛氏硬度计表征膜层的力学性能,并用扫描电镜分析磨损形貌,探讨薄膜磨损机理。结果表明:所制备的2种薄膜均具有典     

类金刚石碳膜的摩擦学性能及摩擦机制

类金刚石碳膜作为低摩擦系数的固体润滑耐磨层越来越受到重视,但其摩擦学行为强烈地依赖于试验条件和膜的本质,而膜的本质又依赖于制备工艺。本文概述了不同工艺方法制备的类金刚石碳膜的摩擦学性能,介绍了气氛、湿度、载荷及滑动速度等试验条件对其摩擦学行为的影响,对提出的不同摩擦机理进行了总结和讨论。     

Er对Al-Zn-Mg合金微观组织与摩擦性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)和材料表面综合测试仪研究了Er对Al-Zn-Mg合金微观组织和力学性能的影响,并研究其在不同载荷下的摩擦磨损行为。结果表明,添加Er后合金伸长率提高约30%,晶粒尺寸明显细化,平均晶粒尺寸减小约68%。合金在摩擦过程中经历了摩擦副磨合和稳定磨损两个阶段,随着载荷的增大,摩擦因数曲线波动增大。O在摩擦层大量富集,证明了氧化磨损机制的存在。加载载荷为30 N时为磨粒磨损、疲劳磨损以及粘着磨损混合作用机制;加载载荷为70 N时磨粒磨损加剧并伴随疲劳磨损,且添加Er可以降低合金表面的剥落趋势,从而减少磨损。     

锻造CoCrMo合金关节材料的滑动摩擦腐蚀行为

采用UMT-2多功能摩擦磨损试验机和电化学工作站(CHI614E)摩擦腐蚀试验平台,考察了医用CoCrMo合金在生理盐水润滑条件下的摩擦腐蚀行为,利用扫描电镜观察了CoCrMo合金在摩擦腐蚀之后的形貌特征。结果表明,随着载荷的增大,CoCrMo合金摩擦腐蚀后的腐蚀电位降低,腐蚀电流增大。摩擦腐蚀的摩擦因数均大于纯摩擦因数,且随载荷的增加而减小。摩擦腐蚀的磨损破坏比纯摩擦严重,磨损机理主要表现为犁沟磨损和剪切塑变造成的局部剥落。     

元素掺杂对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响

类金刚石碳薄膜具有良好的润滑性能,摩擦界面的磨屑或摩擦层结构影响其摩擦行为。掺杂的类金刚石碳薄膜是一个重要类别,其特征在于在非晶碳结构中结合不同的元素,改善其力学、摩擦学、电化学等性能。报告了不同非金属及金属元素的掺杂对类金刚石碳薄膜性能的影响,讨论了摩擦学性能随其化学组成和微观结构的变化,尽可能获得其间的一般趋势或相关性,并对元素掺杂类金刚石薄膜的发展进行了展望。     

Zr掺杂类金刚石薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能的影响

目的改善不锈钢摩擦性能及耐腐蚀性能。方法通过线性阳极层离子源辅助非平衡磁控溅射法,制备了不同Zr含量的类金刚石(DLC)薄膜,采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、纳米硬度仪、高温销盘磨损仪、电化学工作站,对薄膜的化学成分、显微结构、纳米硬度、薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能进行测试研究。结果随着Zr靶功率的增大,Zr含量线性增加。Zr含量从4.9%增加至16.3%时,I_D/I_G增大,薄膜硬度从12.1 GPa逐渐下降至8.4 GPa;Zr含量增大至21.2%时,I_D/I_G减小,薄膜硬度增大至11.4 GPa。涂镀类金刚石薄膜的不锈钢基体比无涂层的不锈钢基体有更低的摩擦系数,更好的耐磨损性能。Zr掺杂DLC薄膜的最小摩擦系数为0.07。Zr含量从4.9%增加至16.3%,DLC薄膜的耐腐蚀性能减弱;Zr含量继续增加,DLC薄膜的耐腐蚀性能增强。当Zr含量不大于11.9%时,沉积Zr掺杂DLC膜的不锈钢基体的耐腐蚀性能比不锈钢基体的更强。结论 Zr含量不大于11.9%时,Zr掺杂类金刚石薄膜既可以有效地改善不锈钢基体的摩擦磨损性能,又可以大幅提高耐腐蚀性能。     

超高分子量聚乙烯表面沉积类金刚石膜的摩擦磨损性能

利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)表面制备类金刚石(DLC)膜,用激光拉曼(Raman)光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)分析了DLC膜的形貌及结构特征,纳米硬度法测定DLC膜的纳米硬度。并在UMT-Ⅱ型摩擦磨损试验机上评价了DLC膜在牛血清溶液润滑条件下的摩擦磨损性能。结果表明,UHMWPE表面制备的DLC膜具有典型类金刚石薄膜的Raman光谱特征,属含氢a-C:H膜。表面沉积DLC膜可有效提高UHMWPE的表面硬度,改善表面润湿性能。25%牛血清润滑条件下,DLC膜UHMWPE的摩擦因数有所升高,但磨损率则有明显下降。UHMWPE磨损表面存在严重的犁削磨损和塑性变形,DLC膜磨损表面主要以剥层磨损为主。     

锻造CoCrMo合金渗碳的摩擦学性能研究

采用气体渗碳技术,对医用锻造CoCrMo合金进行表面渗碳处理来改善其耐磨性能.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度计分别对渗碳层的微观组织、物相组成和显微硬度进行了表征.用三维形貌仪测量表面粗糙度并分析磨损后的表面.采用销盘接触方式,借助UMT-Ⅱ型微摩擦磨损试验机,考察了25%小牛血清润滑条件下的摩擦学性能.试验结果表明,锻造CoCrMo合金渗碳层中形成了硬质Cr3C2相,这是一种致密的颗粒组织.试样的硬度值由未处理的341 HV增加到渗碳后的509 HV.25%小牛血清润滑条件下,渗碳合金的摩擦因数略有升高.与未处理试样相比,渗碳后锻造CoCrMo合金的磨损率降低了40%.未处理CoCrMo合金磨损表面存在宽且深的犁沟和疲劳破坏形成的剥落坑;渗碳试样表面仅表面为浅且窄的划痕.说明渗碳CoCrMo合金渗层中形成的硬质Cr3C2相可以明显提高CoCrMo合金的耐磨性能.     

类石墨碳膜的制备及其与类金刚石碳膜的区分

类金刚石碳膜的碳键结构一般以sp3为主,用离子束辅助磁控溅射制备了以sp2为主的非晶碳膜,即类石墨碳膜。分析类石墨碳膜的成分、组织结构,并通过这些结果区分类石墨碳膜与类金刚石碳膜。采用卢瑟福背散射谱(RBS)、x射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、x射线光电子谱(XPS)、四点探针法(FPM)分析了成分、组织结构及电阻率,结果表明:制备碳膜的晶体结构是非晶,碳键结构以sp2为主,电阻率在10-4~10-2??m之间。证明这种非晶碳膜不同于类金刚石碳膜(sp3为主)。     

不同载荷对HVOF 喷涂AlCoCrFeNi 高熵合金涂层摩擦学性能的影响

目的 提高深地钻探钻具关键零部件的抗磨性能。方法 采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)制备AlCoCrFeNi高熵合金涂层。采用X射线衍射仪对高熵合金粉末和涂层的相组成进行研究,采用扫描电子显微镜对高熵合金粉末及涂层的微观结构进行分析,使用维氏显微硬度计测得涂层的显微硬度,采用摩擦磨损试验机对涂层在不同载荷下的磨损行为进行研究。采用SEM和EDS对磨痕表面进行分析,采用XPS技术分析磨痕元素成分,利用三维白光干涉形貌仪测量涂层的磨损体积和表面粗糙度。结果 HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层结构致密,相结构为BCC相,显微硬度达(536±34)HV0.2,约为35CrMo钢基体[(278±20)HV0.2]的2倍。随着载荷的增加,涂层的摩擦系数减小、磨损率增大。相同载荷下(6 N),涂层的磨损率约为基体的41%。HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层的磨损失效机制为,低载荷下(2 N)主要为氧化磨损伴随着轻微的磨粒磨损;高载荷下(4、6 N)受到反复剪切应力出现疲劳磨损。结论 HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层具有良好的抗磨性能,可以有效减轻磨损,有望应用于深地钻探钻具关键零部件的表面防护。     

含铜CoCrMo钴基合金的抗菌特性研究

利用铜离子的抑菌功能,研究了含铜CoCrMo钴基合金的抗菌特性。结果表明,含铜CoCrMo合金具有良好的广谱抗菌性能,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率均在95.7%以上。通过对不同浓度的大肠杆菌的抗菌性能研究表明,含铜CoCrMo合金对1×106cfu/m L以下浓度的大肠杆菌均表现出良好的抗菌性能,随着细菌浓度的升高,抗菌性能迅速下降。对细菌生物膜的观察结果表明,含铜CoCrMo合金可以有效地抑制细菌生物膜的形成,减少表面细菌粘附的数量。电化学试验结果表明,含铜CoCrMo合金与大肠杆菌作用后,Cu离子溶出加快,表现出合金的自腐蚀电位和点蚀电位有所降低。     

纳米石墨改性ZM5镁合金微弧氧化陶瓷层摩擦磨损性能

添加纳米石墨颗粒的硅酸盐溶液中制备ZM5合金微弧氧化陶瓷层,利用SEM、EDS和XRD分析了涂层的微观形貌、成分及物相组成,用球-盘干磨损试验对涂层的室温摩擦磨损行为进行研究。结果表明,纳米石墨改性微弧氧化陶瓷层主要由Mg2SiO4、少量的MgO、Mg和C相组成,石墨以机械形式分散于陶瓷层中并起到减摩作用。4.9N载荷下体积磨损率为9.19×10-5 mm3/Nm,是无石墨微弧氧化陶瓷层的1/3,ZM5基体的1/14;9.8N载荷下体积磨损率为1.44×10-4 mm3/Nm,是无石墨微弧氧化陶瓷层的2/5,ZM5基体的1/8,与无石墨微弧氧化陶瓷层相比显著提高了镁合金基体的耐磨性,且其室温干摩擦磨损机理为疲劳磨损,磨痕呈疲劳剥落形貌。     

偏压对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

目的通过调节偏压,改善无氢DLC薄膜的微观结构,提高其力学性能和减摩抗磨性能。方法采用离子束辅助增强磁控溅射系统,沉积不同偏压工艺的DLC薄膜。采用原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌,采用拉曼光谱仪对薄膜的微观结构进行分析,采用纳米压痕仪测试薄膜硬度及弹性模量,采用表面轮廓仪测定薄膜沉积前/后基体曲率变化,并计算薄膜的残余应力,采用大载荷划痕仪分析薄膜与不锈钢基体的结合力,采用TRB球-盘摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦学性能,采用白光共聚焦显微镜测量薄膜磨痕轮廓,并计算薄膜的磨损率。结果偏压对DLC薄膜表面形貌、微观结构、力学性能、摩擦学性能都有不同程度的影响。偏压升高导致碳离子能量升高,表面粗糙度呈现先减小后增加的趋势,-400V的薄膜表面具有最小的表面粗糙度且C─C sp^3键含量最多,这也导致了此偏压下薄膜的硬度最大。薄膜的结合性能与碳离子能量大小呈正相关,-800 V时具有3.98 N的最优结合性能。不同偏压工艺制备的薄膜摩擦系数随湿度的增加,均呈现减小的趋势,偏压为-400V时,薄膜在不同湿度环境中均显示出最优的摩擦学性能。结论偏压为-400 V时,DLC薄膜综合性能最优,其表面粗糙度、硬度、结合力和摩擦系数分别为2.5 nm、17.1 GPa、2.81 N和0.11。     

Cr基过渡层对钛合金表面类金刚石薄膜摩擦学性能的影响

采用磁控溅射技术在钛合金(Ti6Al4V)表面制备Cr、Cr/Cr N和Cr/Cr N/Cr NC过渡层结构的类金刚石(DLC)薄膜。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪与原子力显微镜分析薄膜的结构和表面形貌,利用纳米压痕仪、薄膜内应力测试仪、划痕测试仪、摩擦试验机和二维轮廓仪研究薄膜的硬度、内应力、结合力和摩擦磨损性能。结果表明:随着Cr基梯度过渡层的引入,DLC薄膜的内应力逐渐下降,结合力逐渐上升。Cr/Cr N/Cr NC/DLC薄膜具有优异减摩抗磨性能,摩擦因数和磨损率低至0.09±0.02和(1.89±0.15)×10-7 mm3/N·m。试验结果对钛合金表面高性能DLC薄膜制备及应用具有一定的参考价值和指导意义。     

多层梯度结构对TiAlSiN涂层摩擦磨损性能的影响

为提高304不锈钢耐磨损性能,采用磁过滤阴极弧等离子体沉积的方法制备TiAlSiN多层梯度涂层,研究多层梯度结构对涂层摩擦磨损性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的表面形貌、物相结构以及力学性能进行表征,并通过MST-3001摩擦磨损试验仪测试不同结构涂层的摩擦磨损性能。结果表明:与TiAlSiN单层涂层相比,TiAlSiN多层梯度涂层具有更高的结合力和韧性;两种涂层的摩擦因数和磨损率都远小于304不锈钢,其中TiAlSiN多层梯度涂层具有比单层涂层更低的磨损率,磨损率由2.6×104μm3/(N·m)降至8.5×103μm3/(N·m),降低了67.8%,TiAlSiN多层梯度涂层磨痕表面光滑致密,主要磨损机制为轻微粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损的协同作用。     

钛镍合金上制备类金刚石薄膜的性能研究

Ti-Ni形状记忆合金是目前唯一用作生物医学材料的形状记忆合金.它的主要缺点是不具有生物活性,会对机体造成不利影响.DLC膜以其优异的生物相容性、抗腐蚀性及化学稳定性倍受关注.利用脉冲真空电弧离子镀技术镀制DLC膜改善Ti-Ni合金的表面性能.对DLC膜的表面形貌、显微硬度、摩擦系数、耐磨性能及耐腐蚀性能进行了测试.结果表明:用脉冲真空电弧离子镀技术制备的DLC膜膜层表面形貌较好、硬度高、摩擦系数小、耐磨及耐腐蚀性能良好.     

钴铬钼合金磁流变抛光工艺研究

目的 去除难加工材料钴铬钼合金车削后形成的规则性螺旋刀痕并获得超光滑表面。方法 采用磁流变抛光方法,对车削后的钴铬钼合金表面进行抛光加工。研究了磁体排布方式、加工间隙、抛光装置、转速和磨料粒径等工艺参数对钴铬钼合金表面形貌和表面粗糙度的影响规律,寻找获得超光滑表面的工艺参数组合,并对抛光后的钴铬钼合金表面使用表面轮廓仪进行测量。结果 钴铬钼合金表面形貌受各方面因素的综合影响,双磁体异向排布的磁通密度向工件集中,使得磁性羰基铁颗粒与金刚石磨料在抛光过程中结合力更强,增大了有效工作区域;表面粗糙度随着加工间隙的增加(从1 mm增大到4 mm)先减小后增大,在2 mm时得到优化的加工效果;表面粗糙度随着抛光装置转速的增加(从400 r.min^–1增大到1 000 r.min^–1)先减小后增大,在600 r.min^–1时得到优化的加工效果;相比于0.5、1.5、2.5 µm粒径的金刚石磨料,使用2 µm的金刚石磨料进行抛光时表面粗糙度最小。当使用双磁体异向排布,在工作间隙为2 mm、抛光装置转速为600 r.min^–1、金刚石磨料粒径为2 μm的工艺参数组合下对钴铬钼合金采用磁流变抛光加工120 min时,其表面粗糙度从初始的640 nm 降低至5 nm。结论 应用磁流变抛光方法抛光钴铬钼合金可以得到超光滑表面。     

TiB2含量对TiBx/Ti合金涂层组织及摩擦学性能的影响

目的 在Ti-47Zr-5Al-3V(以下简称T47Z)表面制备TiBx/Ti合金复合涂层,以提高合金的摩擦学性能。方法 采用等离子弧熔覆技术在T47Z合金表面熔覆不同配比的(TiB2+Ti)粉末,制备TiBx陶瓷相增强钛合金复合涂层,使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度显微计和UMT-2摩擦磨损试验机对涂层微观组织、硬度及摩擦磨损性能进行测试研究。结果 涂层厚度约2 mm,无裂纹、气孔等缺陷,涂层的基体组织为α相,针状、棒状的TiB增强相和颗粒状的TiB2增强相均匀分布于α相中。随着TiB2含量的增加,涂层基体组织无明显变化,增强相的数量增加,尺寸逐渐变大。涂层的表面硬度最高可达893.4HV0.2,约为基体的2.07倍。涂层的耐磨性相较基体均获得不同程度的提升,当TiB2的质量分数为40%时,涂层的耐磨性提升最为显著,相较基体提高了53.7%。T47Z合金的磨损机理为严重的黏着磨损和磨粒磨损。TiB2的质量分数为10%的涂层,其磨损机理以黏着磨损为主,磨粒磨损为辅。随着TiB2含量的增加,涂层的磨损机制逐渐转向磨粒磨损。结论 通过控制粉体中TiB2的含量,能够利用等离子弧熔覆技术在钛合金表面制备TiBx/Ti合金复合涂层,尤其当TiB2的质量分数为40%时,涂层的硬度及耐磨性能均获得大幅度提升。因此,运用等离子熔覆技术制备陶瓷相增强金属基复合涂层可切实有效地提高钛合金的硬度及耐磨性能。