GH4169表面磁控溅射制备镍基宽温域润滑薄膜及其性能研究

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各种装配中摩擦磨损的存在不仅降低了能量的传输效率,而且显著影响关键零部件的使役寿命。工程上最常用的减摩降耗手段是油液润滑,然而,高温工作环境中,液态润滑剂会迅速降解失效,此时固体润滑是改善摩擦学性能的最佳选择。在实际工况中,尤其是在航空航天领域,部件往往经受由低温到高温的使用过程,此时能提供经受宽温域考验的固体润滑薄膜尤为重要。目前对于宽温域润滑薄膜的研究工作较少。本文采用磁控溅射技术在GH4169高温合金表面制备NiCrAlY/Ag复合薄膜和NiCrAlY/Ag/MoS2复合薄膜,研究了沉积温度、MoS2和Ag含量对复合薄膜的组织结构和不同温度下摩擦学性能的影响。利用SEM、XRD分析了薄膜的形貌结构和相结构,采用显微维氏硬度计、洛式硬度计表征了薄膜的硬度和膜/基结合力,采用摩擦磨损实验机测试薄膜在不同温度下的摩擦学性能。论文的主要结论如下。(1)沉积温度对NiCrAlY/Ag复合薄膜的硬度影响较小,在355.7-382.5 HV之间。随沉积温度的增加薄膜的柱状晶结构长大,薄膜的膜/基结合力由HF1降低为HF4,摩擦学性能变差;沉积温度为60℃的复合薄膜综合性能最佳。(2)Ag含量的增加使NiCrAlY/Ag复合薄膜Ni3Al晶粒和柱状晶结构细化,并改善薄膜的膜/基结合力至HF1;当Ag含量增至25.78 at.%时,复合薄膜在300℃、500℃下的摩擦系数和磨损率分别为0.33、0.32和3.5×10-5 mm3·N-1·m-1、3.6×10-5mm3·N-1·m-1。(3)沉积温度对NiCrAlY/Ag/MoS2复合薄膜的形貌结构影响显著,沉积温度为180℃时,复合薄膜的表面致密度最好,膜/基结合力最优为HF1,在室温下的摩擦学性能最佳。(4)MoS2含量增加使得NiCrAlY/Ag/MoS2复合薄膜的结构变得疏松,薄膜的Ni3Al和Ag晶粒细化,膜/基结合力由HF3向HF1转变,但对复合薄膜的硬度影响并不显著;MoS2在一定程度上改善了薄膜的摩擦学性能,Ag含量为10.21 at.%,MoS2含量为48.55at.%的薄膜在25℃和300℃下的摩擦系数和磨损率分别为0.43、0.43和3.6×10-5mm3·N-(5)Ag含量增加可以使NiCrAlY/Ag/MoS2复合薄膜的组织变得更加致密,膜/基结合力提高。Ag含量为17.14 at.%,MoS2含量为20.90 at.%的复合薄膜表面颗粒尺寸最小、致密度最高,摩擦学性能最佳,在25℃、300℃、500℃、700℃下摩擦系数和磨损率分别为0.69、0.45、0.44、0.36和9.1×10-5 mm3·N-1·m-1、0.83×10-5 mm3·N-1·m-1、3.6×10-5 mm3·N-1·m-1和1.3×10-5 mm3·N-1·m-1。摩擦温度为500℃时,磨痕表面生成润滑相钼酸银。
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