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耐磨梯度表面层的制备及其滑动摩擦学特性的研究

高玉周  
【摘要】: 在材料表面工程领域中,表面涂层是材料改性技术中的一个重要分支。氮化物陶瓷膜层如TiN由于具有较高的硬度和耐磨、抗蚀等性能已经在工业生产中得到了广泛的应用。为了进一步提高TiN膜层的性能,人们对多层膜、多组元膜及梯度膜进行了研究。本文采用电弧离子镀工艺制备了一系列(Ti,Me)N多组元复合膜层(Me代表Nb,Zr,Ta,Cr元素),系统地研究了不同膜层的材料的物性值对膜层结构及性能的影响;借鉴梯度功能材料的设计思想,制备了(Ti,Me)N多组元梯度膜,探索了多组元梯度膜的设计准则;对膜层的断裂韧性提出了新的评价方法和量化准则;并对(Ti,Me)N膜层的滑动摩擦磨损性能进行了研究,同时对膜层涂层前预渗氮处理和涂层后强能离子表面处理进行了探索,为开发和应用新型的耐磨表面层提供了理论基础和试验数据。本文所作的创新性工作和有关的主要结论如下: 1.本文采用电弧离子镀工艺制备了TixNb1—xN、TixZrI_xN、TixCrl_xN、TixTal-xN等TiN基的TixMel—xN系列多组元复合膜; (1)研究了TiN基的TixMel—xN多组元复合膜的相结构组成;其结构主要有两种,一种为形成固溶体的(Ti,Me)N单一相结构;另一种为TiN和MeN的混合相结构; (2)从热力学相容性、原子半径相容性、晶格结构相容性、元素的电负性相容性等方面对膜层的成分组成和相结构等方面进行了深入的理论分析;讨论了膜层成分与相结构形成的规律; (3)对已有的多组元复合膜层的相结构进行了理论验证;对各种多组元复合膜的相结构和性能进行预测; (4)解释了已有的TiN基的TixMel—xN多组元复合膜的相结构及多组元复合膜Me(C,N,B…)膜层的相结构; (5)对于多组元复合膜层(Mel,Me2)N进行了相结构和显微硬度等性能预测,这对于研究和开发适于工业应用的新型硬质耐磨表面层提供了试验数据和理论依据。 2.根据材料的物性值的相容性,首次制备了TixNbl—xN、TixZh—xN梯度表面层;对于膜层的成分梯度、结构及性能进行了研究。 3.球形压痕试验主要定性测量膜基界面的结合力,而菱形压痕试验是定性测 \ \ 量膜层的断裂韧性的一种简单方法。本文首次将裂纹密度函数p同球形压 痕试验结合,提出: ZNc/S 2\ 个——(十) E\P/ 评价膜层断裂韧性的新方法;推导出计算膜层断裂韧性的裂纹密度函数p 的计算公式: _l_,-_0。8、、 p自二X二仙Xf“*(1一子Z d””L”’ 此公式既考虑了裂纹的几何尺寸、裂纹数目分布;定量地计算了膜层的-> 裂纹同函数p;对膜层的断裂韧性提出了新的评价方法和量化准则;为膜。-- 层的断裂韧性评价研究开辟了新的领域。 4.对(Ti,Nb)N均质膜和梯度膜及(Ti,Zr)N均质膜和梯度膜的滑动磨损 性能进行了研究。研究了不同摩擦载荷条件对 TIXNb;-XN膜层的滑动磨损 性能的影响:讨论了膜层的断裂韧性在摩擦磨损中的作用。膜层的显微 硬度不是决定膜层的滑动摩擦性能的唯一因素。在较小的摩擦载荷下, 膜层的显微硬度起主要作用。而在较高的摩擦载荷的条件下,膜层的韧 性起更大的作用。合理地选择膜层材料和梯度结构是充分发挥膜层性能 的重要因素。 5.膜层制备前采用离子渗扩工艺对基体表面进行氮化处理和膜层制备后强流 离子表面处理的后处理工艺,研究膜层的复合处理工艺对膜层性能的影 响。 6.分析了膜层的表面强化机理,提出了梯度膜的设计准则。 本文所得的有关实验结果和重要结论,对于形成多元复合薄膜的强化机制 理论,建立新型的(Ti,Me)N硬质薄膜材料体系,促进硬质膜层在工业中的 应用是十分有益的。本文对膜层的研究工作,只是对硬质(梯度)膜层理论研 究领域中的探索性工作,是国家自然科学基金资助课题。耐磨梯度表面层滑动 磨损特性仿真和设计研究>>的一部分,并得到了三束国家重点实验室的开放课 题的资助,大量的工作需要进一步地深入研究。


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