论文部分内容阅读
随着现代航空、航天、核电等高新技术产业的飞速发展,铝合金、镍合金、钛合金等高强度金属的高速大功率切削对先进的刀具涂层材料及技术提出了迫切而苛刻的要求。在高速、高强度及大功率等切削条件下,切削温度经常升高至700°C,从而刃口与工件不可避免地处于高温、变温、氧化等恶劣工况中,传统涂层难以在宽温度范围内保持较低的摩擦系数及磨损率,严重制约着我国金属加工质量的提高和高性能切削机床的发展。因此,开发优良的宽温域自润滑涂层,对推动我国高性能切削刀具及机床的发展具有重要的理论和实际应用价值。本文基于多弧离子镀技术研制了VN(氮化钒)基自润滑复合涂层,通过数值方法研究了VN基复合涂层/基体系统在不同涂层厚度及弹性模量下的屈服规律,探索了VCN(碳氮化钒)及VN/Ag(氮化钒/银)复合涂层在宽温度范围内的摩擦及磨损特性,并进一步揭示了滑动条件对VCN涂层摩擦学特性的影响机制。建立了VN基复合涂层与刚性平面微观接触的平面应变模型,研究了VN基涂层/基体系统压缩形变的临界屈服特性,结果表明:超厚涂层的初始屈服位置位于接触中心下一定深度处,且深度随泊松比变化呈单调增加规律。推导了超厚VN基复合涂层初始屈服的临界条件。对于较薄涂层,研究了VN基涂层/基体系统在不同涂层厚度及弹性模量下的屈服规律,结果表明涂层/基体系统的塑性区或脆性裂纹随参数变化可能萌生于涂层、基体内或其界面处,增大VN基复合涂层与基体弹性模量的差值可降低系统的屈服抗力。通过在N2及C2H2气氛中蒸发V靶制备了VN和VCN涂层,由结构研究可知C元素在VCN涂层中主要形成sp2C-C及sp3C-C杂化键,杂化键改变了VCN涂层的形貌、晶面取向及晶粒尺寸,增加了VCN涂层的硬度及弹性模量,然而减小了涂层与基体的结合力,研究了VN和VCN涂层在25°C、300°C、500°C及700°C下的摩擦学特性,发现杂化键在25°C~500°C范围内能够明显减小VCN涂层的摩擦系数及磨损率,然而在700°C下失去效果。研究了N2流量变化对VCN涂层厚度的影响,发现在-50 V基体偏压、60sccm C2H2流量、60 A靶电流下,氮气气体量为350 sccm基本达到了涂层合成的反应用量,随后增长未使涂层厚度发生明显改变。设计了L4(23)正交试验,研究了载荷、温度及滑动频率对VCN涂层摩擦磨损特性的影响机理,获得了VN和VCN涂层适应的相对滑动条件。通过在N2环境中蒸发V、Ag靶制备了VN-VN/Ag自润滑复合涂层,发现Ag元素在VN晶格中形成了纳米晶粒,增大了复合涂层的表面粗糙度,改变了复合涂层的择优取向晶面。通过结合强度和力学性能评价表明,VN-VN/Ag自润滑涂层与VN涂层相比具有较高的结合力,而具有较低的硬度及弹性模量。研究了VN-VN/Ag自润滑涂层在25°C~700°C之间的摩擦磨损特性,结果表明金属Ag提高了复合涂层在室温及300°C下的摩擦学性能,而在500°C及700°C下V2O5、Ag3VO4及Ag VO3等氧化物是涂层产生润滑作用的关键因素。进一步考察了异质及过渡界面VN/Ag多层涂层的结构、力学及宽温域摩擦磨损特性,结果表明过渡界面的Ag含量相对异质界面的含量值降低48 wt.%,V含量相应升高71 wt.%,此外,过渡界面涂层具有较高的承载能力和抗失效性能。通过摩擦学研究发现过渡界面涂层在室温下与异质界面涂层相比具有较低的摩擦系数,在300°C下由于摩擦表面Ag贫乏两种多层涂层具有较高的摩擦系数,在500°C和700°C下,Ag元素加速了向摩擦表面的迁移与扩散,生成了剪切强度较低的钒酸盐和偏钒酸盐,因而两种涂层的摩擦系数相对较低。