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TC4钛合金表面WC/DLC复合膜层制备技术

王盟  
【摘要】:随着航天航空产业的发展,对一些复杂工况条件下部件提出了新的要求,以满足新的工程应用。本课题采用等离子体浸没式离子注入与沉积技术在TC4钛合金表面沉积WC掺杂的DLC复合膜层,以期望进一步提升TC4钛合金材料表面的耐磨性能。分析不同工艺参数下对膜层耐磨性能产生的影响,并通过膜基结合力测试、拉曼光谱测试、纳米压痕测试等手段对膜层机械性能、力学性能进行分析,通过有限元软件对膜层承载能力进行模拟分析。沉积气压和主弧脉宽均会对膜层耐磨性能产生一定的影响,沉积气压为0.1Pa时,膜层表现出最佳的抗磨能力,摩擦系数保持在0.1-0.2之间,对磨时间达到400min膜层开始破裂;主弧脉宽对膜层耐磨性能影响也有类似的趋势,当主弧脉宽为0.5ms时,由于膜层沉积效率较低,得到的膜层相对较薄而很快破裂,主弧脉宽为1ms时,膜层具有良好的耐磨性能,随着主弧脉宽的进一步增大,膜层耐磨性能减弱;在膜层承载能力足够的条件下,厚度的增加能够有效提高DLC膜层的使用寿命。划痕测试表明,不同工艺参数膜基结合状况不同,高膜基结合力对膜层耐磨性能产生一定的积极作用;纳米硬度测试表明不同工艺参数制的膜层差异性较大,硬度和弹性模量的比值较高的膜层呈现出较好的耐磨性能。有限元模拟分析表明,在静载条件下不同工艺参数膜层应力应变有相似的变化趋势,均随着和金刚石压头距离的增大而逐渐减弱,以接触点为中心成散射状分布,膜层应变均只分布在接触区附近的一小部分区域;膜基界面处的应力分布表明,掺杂WC后的膜层均能有效降低膜基界面处的等效应力;中间过渡层和WC掺杂均能不同程度的提高膜层的承载能力;随过渡层厚度的增加膜基界面处的等效应力降低。


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