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活塞用铝合金表面钛掺杂类金刚石膜的制备及其结构性能研究

曹红帅  
【摘要】:铝合金具有密度低、比强度高和易成型等优异性能,是发动机活塞的理想材料。但由于铝合金表面硬度低、耐磨性和耐腐蚀性差,全铝制活塞的裙部和缸体等滑动部件在不断往复运动过程中容易造成较大的摩擦功而增大能耗,严重情况下致使活塞失效。采用高硬度、低摩擦系数、耐磨损和耐腐蚀性能优异的类金刚石(DLC)膜进行表面处理,能够有效提高铝合金的表面性能。本文基于元素掺杂和多层膜技术,利用磁过滤阴极弧(FCVA)设备在铝合金表面沉积了具有Ti过渡层、Ti-DLC层和Ti缓冲层的Ti-DLC多层复合膜,系统地研究了C_2H_2气体流量和Ti过渡层厚度对Ti-DLC膜组织结构和性能的影响。在此基础上,在铝合金表面沉积了超厚Ti-DLC膜,并对其性能进行了评价。主要工作及结论如下:(1)C_2H_2气体流量对铝合金表面Ti-DLC膜性能的影响:Ti-DLC多层复合膜具有典型的DLC结构,表面呈“丘陵”状,存在宏观颗粒和微孔缺陷。随着C_2H_2气体流量的增大,Ti-DLC膜中Ti元素含量减少,sp~3-C含量先增大后减小;C_2H_2气体流量为80 sccm时,sp~3-C含量最高。当C_2H_2气体流量小于80 sccm时,Ti-DLC膜的硬度和结合力逐渐增大,摩擦学性能较差,摩擦系数达0.5以上;当气体流量大于等于80 sccm时,Ti-DLC膜摩擦学性能得到了极大的改善,摩擦系数约为0.12。选择合适的C_2H_2气体流量,有利于改善Ti-DLC膜的性能。(2)Ti过渡层厚度对铝合金表面Ti-DLC膜性能的影响:Ti过渡层厚度对Ti-DLC膜的成分和组织结构几乎没有影响,sp~3-C含量基本保持不变。然而,Ti过渡层的加入能够改善Ti-DLC膜与铝合金基体之间的界面过渡,有利于增强结合性能和提高摩擦学性能的稳定性。随着Ti过渡层厚度的增大,Ti-DLC膜的残余应力先减小后增大,而结合力与其变化规律相反。选择合适的Ti过渡层厚度,有利于改善Ti-DLC膜的结合性能。(3)铝合金表面超厚Ti-DLC膜的制备及性能评价:基于前面的实验探究,在铝合金表面沉积了具有铝合金/Ti过渡层/Ti-DLC层/Ti缓冲层/Ti-DLC层/Ti缓冲层/Ti-DLC层的Ti-DLC多层复合膜,厚度为17~20μm。超厚Ti-DLC膜的纳米硬度为18 GPa,弹性模量为153 GPa,具有良好的韧性和弹性回复率。在300°C温度条件下,超厚Ti-DLC膜具有优异的摩擦学性能,摩擦系数为0.1185,磨损率为2.5×10~(-5) mm~3/(N?m)。此外,超厚Ti-DLC膜具有一定的隔热性能,与铝合金基体相比,沉积有超厚Ti-DLC膜的铝合金导热率降低了25 W/m*K左右。


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