二硫属基复合涂层的制备及宽温域摩擦学性能研究

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新一代先进航空发动机的涡轮机和高压压气机部位采用的是刷式封严装置,这样可以提高压气效率和减少自身重量,节省燃料。为了克服苛刻工作环境,满足航空发动机刷式封严的正常运行,一般是在转子轴表面制备一层高温固体润滑涂层和耐磨涂层,以减小转子轴和刷丝之间的摩擦系数,降低它们之间的磨损。在实际应用过程中,因为涂层要经历从室温到高温(1000℃左右)的循环使用,所以要寻求一种在宽温域状态下具有自适应润滑能力且耐磨的涂层成为众多研究者的追逐目标。为了制备能够在宽温域(RT~800℃)具有润滑能力的涂层,采用非平衡磁控溅射技术分别沉积了纯WS2涂层、MoS2-Ag和WS2-Ag复合涂层、Mo N-Ag-W复合涂层和Mo N-Ag-W/MoS2-Ag四层涂层,并研究了它们的结构和性能。研究表明:通过非平衡磁控溅射技术,以不同的溅射速率制备了四种不同的纯WS2涂层,通过XRD、SEM、FTIR等设备系统研究了不同溅射速率对WS2涂层的微观结构、力学性能以及摩擦学行为的影响。研究表明,在400℃大气环境下,WS2-1.4、WS2-1.6、WS2-1.8三种涂层的转移膜在不断的热力耦合作用下,形成了非公度结构,COF从0.08骤降到约0.02;WS2-1.6涂层在400℃真空环境下的耐磨性要比在400℃大气环境下的好,这是因为真空环境屏蔽了水和氧,降低了对涂层的破坏,同时非晶和纳米晶WS2重新择优排列,形成(002)晶面高度择优的WS2晶体,从而提高了涂层的耐磨性;在300℃大气环境条件下,WS2-1.8涂层的COF也会骤降,但骤降出现的时间比在400℃条件下有所延迟,原因是热力耦合作用形成非公度结构的时间比在400℃条件下的长;当制备的WS2涂层(WS2-2.0涂层)的性能(硬度、弹性模量、抗塑性变形能力等)较差时,在400℃大气环境下摩擦会诱发转移膜中的WS2严重氧化,形成大的WO3颗粒,这些颗粒会在短时间内破坏转移膜并导致摩擦失效。通过非平衡磁控溅射技术,改变Ag靶溅射速率,分别制备了不同的MoS2-Ag和WS2-Ag复合涂层,系统研究了这两种涂层的微观结构、组分、力学、宽温域摩擦学性能。结果表明,MoS2-Ag复合涂层的结构较致密,而WS2-Ag复合涂层的结构则分为上下两层,上层较疏松,下层较致密,这可能是在沉积生长过程中,晶粒粗大所导致。Ag含量适量的增多有利于MoS2(002)和WS2(002)晶面的择优;在200℃时,涂层的摩擦系数比在室温时低,这是因为水对涂层的破坏减少,并且Ag含量的增加有利于提高涂层的耐磨性;在400℃时,所有涂层的摩擦学性能均较差,这与氧化形成的Mo O3和Ag2WxO3x+1相有关,这两种相在400℃均为磨粒相;在600℃时,MoS2-Ag复合涂层的摩擦系数比WS2-Ag复合涂层的低,这与形成的Mo O3、Ag2MoxO3x+1相有关,这两种相在600℃是润滑相,并且由于基底Ni元素的热扩散,还形成了Ni Mo O4相;在800℃时,MoS2-Ag复合涂层的摩擦学性能比WS2-Ag复合涂层的好,其中M2涂层的摩擦系数低至0.2,MoS2-Ag复合涂层的润滑性与形成的Ag2MoxO3x+1、Ag2O润滑相以及NiMoO4相有关,而WS2-Ag复合涂层的润滑性与形成的Ni WO4、Ag2Wx O3(x+1)相有关。通过非平衡磁控溅射技术,改变W靶溅射速率,分别制备了MoN-Ag-W复合涂层和Mo N-Ag-W/MoS2-Ag四层涂层,并研究了涂层的微观结构、组分、力学、原位RT+650℃和原位RT+800℃的宽温域摩擦学性能。结果表明,钨含量的增多会抑制银的结晶性,提高Mo N的结晶性,并且钨是以非晶或纳米晶态存在。由于涂层中硬质Mo N相的增多,软质Ag相的减少,因此硬度和弹性模量均会提高,其中WS4的硬度超过了5GPa,弹性模量达到了110 GPa;在室温时,顶层MoS2-Ag层确实起到了降低摩擦系数的作用;在650℃时,涂层的润滑性与氧化形成的Ag2MoxO3x+1、WO3、Ag2WxO3x+1等相有关,并且由于基底Ni元素的热扩散,还形成了NiMoO4相;在800℃时,涂层的润滑性与WO3、Ag2WxO3x+1、Ag2MoxO3x+1润、NiMoO4相的形成有关,其中W1、W2、W3涂层的摩擦系数较低,稳定在0.25左右,且NiMoO4相含量较650℃时增多,该相在该温度下具有一定的润滑性,总之,复合涂层的摩擦学性能比四层涂层的好。
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