【摘 要】
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随着科学技术的发展,现代航空、航天、核技术及电力等技术领域日新月异,材料的工作环境也更加严峻,相关运动部件的润滑和磨损问题已成为影响系统可靠性和寿命的瓶颈。尤其,未来以高性能航空发动机和航天大推力火箭为代表的系统装备服役温度越来越高（＞800℃）,对其可靠性和耐久性要求不断提升,迫切需要开发出一系列更稳定的高温自适应润滑涂层。以具有良好高温抗氧化和高温力学性能为前提,借助摩擦物理/化学的表界面作用
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
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随着科学技术的发展,现代航空、航天、核技术及电力等技术领域日新月异,材料的工作环境也更加严峻,相关运动部件的润滑和磨损问题已成为影响系统可靠性和寿命的瓶颈。尤其,未来以高性能航空发动机和航天大推力火箭为代表的系统装备服役温度越来越高（＞800℃）,对其可靠性和耐久性要求不断提升,迫切需要开发出一系列更稳定的高温自适应润滑涂层。以具有良好高温抗氧化和高温力学性能为前提,借助摩擦物理/化学的表界面作用,诱导自生高温润滑相,是设计发展高温自适应润滑抗磨涂层的可行办法。本文以Cr2AlC MAX相涂层为基础,利用其良好的抗氧化性、较高的热膨胀系数以及在高温下具有一定的润滑性,开展其在700-900℃的高温下的摩擦学行为研究。提出V元素固溶强化与高温自润滑功能一体化的设计方法,进一步改善Cr2AlC MAX相涂层的力学性能和摩擦学性能,揭示（Cr,V）2AlC涂层的高温自润滑摩擦机理。文中涉及的涂层均通过电弧复合磁控溅射技术,结合后续退火的方法制备获得,XRD结果表明MAX相的含量均在90 wt.%以上。首先研究了Cr2AlC涂层在700-900℃下的氧化和摩擦学行为,在该温度范围内涂层具有非常优异的抗氧化性,在900℃下涂层结构完好,表层发生一定程度的氧化,但未见明显的氧化层。摩擦系数和磨损率随着温度的升高而明显降低,在700℃下涂层经历了严重的磨粒磨损和黏着磨损,随着温度的升高,磨痕形貌随之变得更加均一、平滑;在900℃下涂层获得低的摩擦系数和磨损率,分别为0.36和0.78×10-4 mm~3N-1m-1。磨痕形成了平整的“釉”的状态。在维持MAX相层状结构不变和不引入第二相的基础上,提出固溶MAX相涂层材料的设计思路。对Cr2AlC涂层进行V元素固溶,成功制备了(Cr0.76V0.24)2AlC和(Cr0.53V0.47)2AlC两种固溶体涂层,并研究了V含量对涂层力学性能以及在900℃下摩擦学性能的影响。相比于Cr2AlC涂层,(Cr0.53V0.47)2AlC的硬度和弹性模量分别增加了34.3%和23.6%。由于固溶后发生晶格畸变,V引入也显著提高了Cr2AlC MAX相涂层的韧性。在900℃摩擦过程中,随着V含量的增加,在900℃涂层中更多的V参与氧化,生成的润滑相更多,涂层的摩擦系数线性降低。(Cr0.53V0.47)2AlC涂层形成了软质熔融态V2O5包裹（Cr,Al）2O3硬质晶粒的致密结构,表现出最低的摩擦系数和磨损率。高温诱导下强韧自润滑一体化的复合氧化物生成,将V基润滑涂层的适用温度从文献报道的650-700℃中高温扩展到了900℃的高温,建立了一种适用于高温严苛环境下MAX相防护涂层的制备方法。为了进一步探究(Cr0.53V0.47)2AlC涂层在中高温范围的摩擦环境适应性,开展了涂层700℃、800℃下的氧化行为与摩擦学行为研究。结果发现,在700℃下氧化后的涂层表面形貌与退火态无异,而在800℃下氧化后涂层表面形成絮状结构,但在两个温度下均没有观察到明显的氧化层。与所有V基涂层相似,在中高温摩擦过程中,随摩擦环境温度的升高,氧化物润滑相的生长导致摩擦系数明显降低,但同时由于消耗了大量的氧化物,磨损率随之变大。这说明只有达到了一定的温度范围,固溶(Cr0.53V0.47)2AlC涂层在高温摩擦诱导过程中形成的硬且韧的氧化物润滑相,从而具有优异的高温自润滑特性。
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