TiMoAgN固体润滑涂层材料的制备与摩擦磨损性能研究

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航空航天等尖端工业领域中,一些重点型号的传动部件运行环境日趋苛刻,常规的润滑剂或润滑涂层已难以满足服役工况的高要求:如高载荷条件下MoS2、WS2等层状化合物以及软金属Ag、Pb、Zn等自润滑剂因挤压破坏致使磨损率增大;而CaF2、CoO、PbO等一些高硬化合物或氧化物因脆裂形成磨粒磨损,摩擦系数增大,进而丧失润滑效果。此外,高温条件下,部分润滑剂发生快速氧化,同样将加速润滑剂的失效。因此,如何使得润滑材料或涂层兼具自润滑、减摩、耐磨和抗氧化等多重功能,是当前自润滑复合材料/涂层发展的主要趋势。本论文针对转动密封、高温轴承等精密基础件在承载环境下的性能要求,提出了一种Ti、Mo、Ag、N固体润滑材料体系。采用Ag和Ag-Mo复合固体润滑剂作为润滑相,首先利用放电等离子烧结(SPS)技术制备了一种TiMoAg复合材料。在此基础上,再利用多弧离子镀(AIP)技术在316L不锈钢基体上制备了 TiMoAgN涂层润滑材料,以TiN做硬质相,Ag、Mo及其化合物做润滑剂。以期实现在不同温度,依靠材料中多种润滑剂的协同作用,从而达到低磨损率、低摩擦系数的自润滑目的。本文采用X射线衍射仪(XRD)、带有能谱仪的扫描电镜(SEM/EDS)等分析手段,分别研究了室温下Ag对Ti基复合材料以及多弧靶材工艺参数对制备的氮化物涂层的微观组织及力学、摩擦磨损等性能的影响。主要研究工作如下:对于 C0Ag(90 wt%Ti+10 wt%Mo)复合材料和 C15Ag(75 wt%Ti+10 wt%Mo+15 wt%Ag)复合材料,Ag元素的添加对复合材料的微观组织和性能的影响是积极的。细小均匀的Ag元素广泛分布在Ti元素富集相和Mo元素富集相的接触界面处,在保持硬度的同时,提高了材料的塑韧性。C15Ag复合材料的摩擦系数显著降低0.2左右,润滑性能优异,且磨痕表面形貌较为光滑,绝大部分区域形成了光滑的润滑膜。C0Ag复合材料磨痕表面没有形成润滑膜,且在循环应力的作用下,磨痕表面由于疲劳剥离形成一些碎屑,而磨屑的存在导致C0Ag复合材料表面出现磨粒磨损,在磨损表面还存在许多明显的平行于摩擦方向的犁沟。因此,添加15 wt%的微米Ag的C15Ag复合材料表面在载荷加压和摩擦生热的物理化学过程中,能形成光滑的润滑膜,所以C15Ag复合材料得到了低摩擦系数和低磨损率。对于C15Ag复合材料制备加工的多弧靶材,在不同工艺参数下制备的氮化物涂层,其中的Ag以单质态存在;且工艺参数不同,涂层中的Ag含量不同。不同的氮气分压、基体偏压等因素影响了涂层的色泽、组织、成分等性质。当氮气分压增大时,薄膜的色泽将由浅黄色向灰褐色转变。基体偏压对涂层性质的影响体现在当对基体施加偏压时比未施加偏压时颜色更浅。为更好阐释涂层的摩擦磨损性能,将其与TiN和316L不锈钢基体进行对比,发现通过多弧离子镀技术制备的高Ag涂层中,在室温下Ag可以析出到摩擦表面形成光滑的润滑膜,而且摩擦过程中的载荷加压和摩擦生热的物理过程可以促进室温下Ag析出到摩擦表面形成光滑润滑膜的过程。多弧离子镀技术制备的高Ag涂层达到了低摩擦系数(0.1~0.2)、低磨损率(4.61× 10-5mm3·N-1·m-1)的自润滑效果。
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