TC4钛合金微弧氧化涂层的制备与微动磨损性能研究

采用自制的微弧氧化装置,在TC4钛合金表面制备了微弧氧化涂层,利用维氏硬度计、轮廓仪、SEM、EDX和XRD等设备对涂层进行了表征,并与GCr15钢球对磨,以研究其微动磨损特性.结果表明:涂层主要由锐钛矿型、金红石型TiO2和少量Al2O3等相组成,表面较粗糙,为典型的高硬度多孔陶瓷结构;经微弧氧化处理后,抗微动磨损性能显著提高;在部分滑移区涂层的摩擦系数随位移幅值的增大而增大,而在滑移区和混合区,稳态摩擦系数与位移幅值的变化无关;在部分滑移区,涂层损伤轻微,在滑移区和混合区涂层的微动磨损机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层.     

等离子喷涂铜-石墨复合涂层结构与干摩擦磨损性能研究

以粒度为50～70μm的铜包石墨(Graphite-65%Cu质量分数,下同)复合粉体为原料,采用大气等离子喷涂设备在316不锈钢基体上制备了铜-石墨复合涂层。运用场发射、能谱、X射线衍射等手段对涂层显微结构进行了表征,并利用UMT球-盘式摩擦磨损试验机探讨了室温大气环境下铜-石墨复合涂层的摩擦学性能。结果表明,Graphite-65%Cu复合涂层结构致密,与不锈钢基材结合牢固;石墨在涂层中分布均匀;物相组成主要为C,Cu和Cu2O三相;摩擦副间石墨转移膜的形成是涂层低摩擦系数的主要原因。不同载荷和速率条件下所得涂层摩擦系数在0.03～0.15间。粘着磨损是主要磨损机制。     

钛合金表面镍包石墨喷涂层的耐磨性能

为了提高钛合金的表面耐磨性,利用氧乙炔热喷涂枪,在TC4合金表面上制备出镍包石墨涂层。采用MXP-2000型销盘式摩擦磨损实验机,进行钛合金及其镍包石墨涂层的干摩擦磨损实验,并利用扫描电镜对磨损表面进行观察和分析。实验结果发现,镍包石墨涂层的摩擦系数只有钛合金的一半左右,前者磨损量为后者的1/6,说明镍包石墨涂层可以大大提高钛合金的表面耐磨性能。TC4合金的磨损机制以黏着磨损为主,喷涂层的磨损机制以磨粒磨损为主,喷涂层中的石墨润滑相是其耐磨性高的主要原因。     

NiCr基多元复合润滑涂层的耐磨性能研究

研究可在较宽温度范围内使用,且保持良好润滑效果的金属基固体润滑复合涂层具有重要意义。利用高能效超音速大气等离子喷涂分别制备NiCrAl-Cr_2O_3-BN-MoS_2(简称BN-MoS_2)和NiCr-Cr_2O_3-Ag-CaF_2/BaF_2(简称Ag-CaF_2/BaF_2)多元复合润滑涂层,对比分析涂层结构对其结合强度、表面硬度及其高温下耐磨性能的影响规律。结果表明,相较于BN-MoS_2涂层,Ag-CaF_2/BaF2涂层结构致密,润滑相分布均匀,其结合强度为38.2±1.2MPa,比BN-MoS_2涂层高49.2%,而表面洛氏硬度仅高4.5%。随温度升高,BN-MoS_2涂层的平均摩擦系数变化不明显,而Ag-CaF_2/BaF_2涂层降低了25%,其中,600℃时Ag-CaF_2/BaF_2涂层平均摩擦系数比BN-MoS2涂层低22.2%。在400℃时,BN-MoS2涂层的磨损深度比Ag-CaF2/BaF2涂层高出22.5%;温度升高至600℃时,BN-MoS_2涂层和Ag-CaF_2/BaF_2涂层的磨损深度降低。由上述结果可知,在400℃～600℃时,Ag-CaF_2/BaF_2涂层的润滑性能和耐磨性能均优于BN-MoS_2涂层,且其在600℃时效果最佳。     

TiC-TiB2复合相钛基稀土激光熔覆层组织与性能

采用通快同轴送粉4002光纤激光器,在TC4表面熔覆制备了不同含量Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC+Y₂O₃钛基复合耐磨涂层。采用XRD、SEM、EDS、EPMA测试研究了涂层微观组织,利用显微硬度计、摩擦磨损实验机和白光轮廓仪分析评价了涂层的显微硬度和摩擦学性能。结果表明,涂层生成相不随Y₂O₃含量变化而改变,主要包括Ti₂Ni、TiC、TiB₂以及α-Ti;未添加Y₂O₃涂层,生成相尺寸粗大,方向性明显;随着Y₂O₃的加入,涂层组织逐步细化,生成相方向性减弱;当Y₂O₃为3wt%时,涂层析出相以颗粒和短棒状相为主,合成了大量TiC-TiB₂依附生长复合相,经二维点阵错配度计算,TiB₂（0001）与TiC （111）错配度δ为0.912%,TiC与TiB₂形成了共格界面,可有效增加涂层组织分布均匀性;Y₂O₃含量为0wt%、1wt%和3wt%时,涂层显微硬度逐渐减小,磨损体积先增大后减小,摩擦系数逐渐降低;在TiC-TiB₂复合相的作用下,3wt% Y₂O₃涂层的耐磨、减摩性最优,涂层磨损机理为磨粒磨损。     

炭/炭复合材料与轴承用铜合金摩擦磨损行为的对比研究

采用摩擦试验机(UMT-200)和表面形貌仪(Talysurf CCI 2000)表征了炭/炭复合材料,铜合金和带有MoS2涂层的铜合金的摩擦磨损行为。结果表明:在相同条件下,铜合金的摩擦系数保持在0.65左右,而带有MoS2涂层的铜合金的摩擦系数为0.25～0.3,线性磨损率为铜合金的1/3,但随着试验时间的增加,MoS2涂层被破坏,其摩擦系数会增加至0.35左右。炭/炭复合材料的摩擦系数一直保持在0.12～0.13,线性磨损率为铜合金的1/6,且表现出良好的耐磨自润滑特性。     

碳/碳材料与石棉/酚醛间热摩擦系数试验

根据固体火箭发动机喉部结构的实际工况,取样并设计试验,采用SRV高温摩擦磨损试验机测试了碳/碳与模压石棉/酚醛材料间的热摩擦系数,总结了这两类材料间的摩擦系数随温度、接触载荷及摩擦速度的变化规律。试验结果表明,碳/碳与模压石棉/酚醛材料间的热摩擦系数随温度升高呈非线性单调下降趋势;含胶层的两材料组件间摩擦系数明显高于无胶层组件间摩擦系数;温度一定条件下,载荷增加使得摩擦系数小幅降低;随着摩擦速度的提高,摩擦系数呈增大趋势。     

M50高温轴承钢表面TiN涂层与镀银层对磨的摩擦特性

以航空发动机主轴轴承引导面与保持架之间的异常磨损为背景,研究了M50钢及M50钢表面沉积Ti N涂层与保持架材料镀银层之间对磨时的摩擦特性,分析了干摩擦条件下相对滑动速度、接触应力及其交互作用对摩擦系数随时间变化的影响规律。采用SEM观察了摩擦表面的形貌,并用EDS对表面成分进行了分析。结果表明,摩擦系数随时间逐渐增大,存在明显的转变点;在低滑动速度和较低接触应力时,摩擦系数可以长时间维持在0.15~0.25较低水平,在较高滑动速度和较高接触应力时,摩擦系数很快上升到0.5左右,在试验选择的参数范围内,该转变时间与接触应力P和滑动速度V的乘积PV值基本上呈线性关系;高速大接触应力摩擦时,M50钢表面会受到硬质颗粒的作用产生划伤,而Ti N涂层对M50钢具有良好的防护作用,可以明显延缓高摩擦系数出现的时间,阻止M50钢中碳化物脱落,防止表面磨损。     

基体碳结构对轴间密封环用C/C复合材料摩擦磨损特性的影响

 在m²000型摩擦实验机上,在不同载荷作用下,对4种具有不同偏光结构的C/C复合材料与40Cr钢配副进行环—块滑动摩擦实验。结果表明:相同载荷下,具有粗糙层（RL）基体碳结构试样的摩擦系数都最高,且随载荷的增加在0.151～0.165之间波动。而光滑层（SL）碳结构的试样的摩擦系数最低,随载荷增加在0.105～0.117之间缓慢降低。随时间延长,RL结构的试样在高载荷下摩擦系数下降,SL结构的试样摩擦系数除60N外略有上升,树脂碳增密的试样摩擦系数均下降,而树脂碳+SL碳的试样仅80N、150N的基本保持不变。RL结构的试样体积磨损量最大,最大值为150N时的1 61mm³,而SL+树脂碳结构的试样体积磨损量最小,在0.391～0.420mm³之间。SEM观察表明:随载荷增加,RL结构的试样摩擦表面形貌仍很完整、光滑,而浸渍增密的试样纤维拔出现象加剧,SL+树脂碳结构的试样摩擦表面逐渐完整。     

镍基耐高温自润滑刷式封严涂层研究

为满足先进航空发动机刷式封严对涂层材料自润滑耐磨性能的要求,采用等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlY-Cr_2O_3和NiCoCrAlY-Cr_2O_3-AgMo两种复合涂层;采用扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和高温摩擦磨损试验等分析测试手段研究了涂层的物相组成、微观结构、力学性能以及摩擦磨损性能。结果表明:研制的两种新型涂层具有较低的孔隙率、较高的显微硬度和结合强度,从20℃到800℃的磨损量都在10~(-5)mm~3·N~(-1)·m~(-1)数量级,显示出优异的耐磨性能;NiCoCrAlY-Cr_2O_3涂层在摩擦系数随着温度的升高而降低,在800℃达到最低值0.3;NiCoCrAlY-Cr_2O_3-AgMo涂层从400~800℃的摩擦系数一直保持在0.23左右。对其摩擦机理的研究表明:400℃时涂层与高温合金GH4145对磨件之间形成连续的含Ag润滑膜,600℃以上时摩擦表面生成的Ag_2MoO_4自润滑相显著降低了涂层的摩擦和磨损。     

石墨含量对PEEK基复合涂层性能的影响

利用石墨和聚四氟乙烯(PTFE)对聚醚醚酮(PEEK)进行混杂改性,控制PTFE和PEEK的质量比不变,通过冷压烧结的方法在不锈钢表面制备不同石墨质量分数的PEEK基复合涂层,研究石墨含量对涂层力学和摩擦性能的影响。结果表明:随着石墨质量分数的增多,PEEK基复合涂层的结晶度逐渐下降,涂层的硬度先增高后降低,摩擦因数不断降低,磨损率先降低后上升。在石墨质量分数为4%时,硬度最高21.78HV,摩擦因数为0.0461,磨损率最低为2.06×10~(-6)mm~3/(N·m),这与之前的研究相比,涂层的耐磨性得到大幅提高。但是过高的石墨质量分数会使分子链柔顺性下降、链段运动降低,涂层的耐磨性大大降低。     

三种热喷涂工艺制备NiCr/Cr_3C_2-BaF_2·CaF_2涂层的结构与性能

采用大气等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂三种热喷涂技术制备了NiCr／Cr3C2-BaF2·CaF2涂层,分析比较了涂层的显微组织、物相组成、孔隙率、硬度、结合强度及其摩擦学性能。结果表明,与大气等离子喷涂相比,超音速火焰喷涂和爆炸喷涂技术制备的涂层具有更高的致密度、硬度和结合强度。采用包覆法制备的粉末进行喷涂,碳化物失碳明显减少,涂层中氧化物含量低。三种NiCr／Cr3C2-BaF2·CaF2热喷涂涂层的摩擦系数都随着温度的升高而减小,爆炸喷涂和超音速火焰喷涂涂层的摩擦系数比等离子喷涂涂层的摩擦系数更低,耐磨性得到提高。高温下BaF2·CaF2润滑膜的形成均可有效降低三种涂层的摩擦系数,从而降低涂层和对磨球Si3N4的磨损率。     

钛基稀土激光熔覆层组织细化机制及性能

采用通快TruDisk 4002光纤激光器在TC4合金表面分别制备了0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC钛基耐磨复合涂层。利用XRD、SEM、EDS、EPMA、显微硬度计和摩擦磨损试验机等分析了涂层组织、显微硬度和摩擦学性能。结果表明，两种涂层表面均无裂纹孔隙等缺陷，且生成相一致，主要包括TiC、TiB₂、Ti₂Ni、WC和α-Ti；0wt% Y₂O₃涂层组织存在明显偏析，析出相尺寸粗大且方向性明显；3wt% Y₂O₃涂层组织呈均匀弥散状态分布，细化特征明显；经Bramfitt二维点阵错配度计算，（100）_Y2O3和（100）_Ti2Ni、（111）_Y2O3和（110）_TiC、（110）_Y2O3和（1010）_TiB2间的错配度分别为5.75%、6.72%和10.10%，Y₂O₃作为异质形核核心对Ti₂Ni、TiC和TiB₂的细化能力依次为Ti₂Ni > TiC > TiB₂；0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃涂层显微硬度分别为600~630 HV_0.5和470~480 HV_0.5，较基材分别提高了约62%和26%；3wt% Y₂O₃涂层耐磨减摩性最优，其磨损体积和摩擦系数较0wt% Y₂O₃涂层分别下降了约47.8%和5.0%，磨损机制主要为磨粒磨损。     

含稀土TiCx增强钛基激光熔覆层组织与耐磨性

采用同轴送粉激光熔覆技术在Ti6Al4V合金表面成功制备了含稀土CeO₂的碳化钛增强钛基激光熔覆层。运用渗透探伤、光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析仪、电子探针、显微硬度计、摩擦磨损试验机等分析和测试方法研究了碳化钛增强钛基激光熔覆层的成形质量、微观组织、元素分布、硬度和摩擦磨损性能。结果表明,涂层内无裂纹缺陷,仅在层间过渡区分布有少量气孔（孔隙率为1.65%）。涂层中物相主要包括富Ti、Cr元素的β固溶体（CrTi₄）、缺位型碳化钛（TiC_x）和稀土氧化物（CeO₂）。熔覆层各微区的碳化钛形貌存在显著差异,熔覆层顶部和中部区域呈发达树枝晶状和针状,而结合区由针状和小尺寸不发达枝晶组成。碳化钛枝晶中碳元素分布不均匀,一次枝晶含碳量高于二次枝晶。基体相中Ni和Cr元素呈现明显偏析,而Al和V元素分布相对均匀。此外,稀土氧化物CeO₂主要分布于TiC_x与CrTi₄相界以及CrTi₄晶粒边界处。与基材相比,尽管TiC_x增强钛基复合涂层具有较高的摩擦系数,但其耐磨性显著增加（提高近52%）。熔覆层和基材磨损机制均为黏着磨损和磨粒磨损的复合磨损模式,但熔覆层的磨损程度较轻。     

C/C素坯密度对GSIC/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

采用气相渗硅工艺(GSI)制备C/C-Si C复合材料,研究了C/C素坯密度对GSI C/C-Si C复合材料物相组成与摩擦磨损性能的影响,分析了C/C-Si C复合材料的制动过程,并归纳了其摩擦磨损机理。结果表明,随着C/C素坯密度的增大,GSI C/C-Si C复合材料的密度呈递减趋势,且C含量和开气孔率逐渐增加,而Si C含量和残余Si含量逐渐减少;自对偶条件下,复合材料的平均摩擦系数、磨损率均呈现先增大后减小的趋势,当C/C素坯密度为1.25g/cm3时有最大值,而制动稳定系数则不断增大。GSI C/C-Si C复合材料的制动过程是犁沟效应和粘着效应共同作用的结果,制动初始阶段和刹停阶段以犁沟效应为主,中间阶段以粘着效应为主。     

电子束物理气相沉积YSZ热障涂层热循环性能

考察了YSZ热障涂层的抗热循环性能;分别利用SEM、XRD分析了热循环前后涂层的显微结构和相组成。经分析可知,YSZ热障涂层具有典型的柱状晶结构,沉积态时YSZ涂层为t/t′相,经过600次热循环后,YSZ涂层未发现脱落。     

含氢 WC/ C 复合涂层在不同润滑油环境的摩擦性能

利用非平衡磁控溅射技术,通过同时离化乙炔气体和共溅射石墨靶与碳化钨靶,在304不锈钢和单晶硅基底上沉积具有Cr过渡层和WC过渡层的含氢WC/C复合涂层。采用扫描电镜、Raman光谱仪、X射线衍射仪、纳米压痕仪等对涂层的微观结构、力学性能进行分析。利用Rtec摩擦磨损试验机对WC/C复合涂层与304不锈钢基底在PAO基础润滑油环境、发动机润滑油环境以及腐蚀性发动机润滑油环境进行摩擦性能测试。结果表明:涂层内含有较多类石墨sp2键,WC1-x相镶嵌在非晶碳基质中构成多相复合结构;涂层的硬度和弹性模量明显高于304不锈钢基底,且其H/E值远高于基底;与304不锈钢基底相比,在三种润滑油环境下涂层均具有较低的摩擦因数和磨损率。     

钛合金表面镍基喷焊涂层的组织和耐磨行为

采用火焰喷焊技术对钛合金表面进行耐磨改性,可以较好地解决实施工艺过程中的工程适应性问题,但对于任何一种表面耐磨处理技术,耐磨性能的改善和提高都是其最终目的。考察了钛合金表面上3种不同成分的镍基火焰喷焊涂层的组织和耐磨行为。研究发现,3种成分的镍基涂层都具有韧基体+硬质相的耐磨组织,其基体均为强韧性很好的镍基固溶体,但硬质相的差别较大。在相同试验条件下,100%的F102涂层、含4%La2O3的稀土复合涂层和含25%WC的N i-WC复合涂层的磨损失重仅为未处理钛合金的1/6,1/8和1/10。试验结果表明,采用火焰喷焊技术对钛合金表面进行耐磨处理,可以有效地改善表面的耐磨性。