【摘 要】
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随着机械系统工作环境的日益恶劣和各种高新技术产业的快速发展,对机械系统在宽温度范围内稳定运行的要求越来越高。此外,重要滑动部件的润滑和耐磨性关系到整个系统的安全运行,因此迫切需要提高滑动部件在较宽温度范围内的摩擦磨损性能。CrN薄膜由于其硬度高和良好的耐磨损性能,在工业中得到了较为广泛的应用,但CrN薄膜仍存在高温条件下摩擦系数较高的问题。二维层状结构的Mo S2由于其易于发生剪切作用在多种环境下
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随着机械系统工作环境的日益恶劣和各种高新技术产业的快速发展,对机械系统在宽温度范围内稳定运行的要求越来越高。此外,重要滑动部件的润滑和耐磨性关系到整个系统的安全运行,因此迫切需要提高滑动部件在较宽温度范围内的摩擦磨损性能。CrN薄膜由于其硬度高和良好的耐磨损性能,在工业中得到了较为广泛的应用,但CrN薄膜仍存在高温条件下摩擦系数较高的问题。二维层状结构的Mo S2由于其易于发生剪切作用在多种环境下都表现出优异的摩擦磨损性能,但Mo S2薄膜在较高温度条件下也表现出高摩擦系数和较差的耐磨性。此外,金属银由于其稳定的热化学性质和低剪切强度,Ag被广泛的应用于硬质薄膜中的润滑相。因此,改善具有优异性能的CrN、Mo S2薄膜在高温环境下的摩擦学性能具有重要意义。采用非平衡磁控溅射系统在单晶硅片(100)和Inconel 718合金片基底上制备了一系列复合薄膜,分别为Ag含量从低到高的CrVN/Ag复合薄膜、Mo S2含量从低到高的CrN/Mo S2复合薄膜和固体润滑剂掺入CrN/Mo S2薄膜制成的CrMo N/Mo S2、CrVN/Mo S2和CrNb N/Mo S2复合薄膜。以硅片上制得的薄膜为对象,测得了薄膜的元素组成及含量和表截面的微观结构形貌。并测试了复合薄膜的硬度、弹性模量等力学性能。在宽温域条件下(25℃-700℃)进行摩擦学测试,对制备的复合薄膜的摩擦系数和耐磨损性能进行了比较。讨论了固体润滑剂的含量和种类对复合薄膜力学性能以及宽温域条件下摩擦磨损性能的影响,此外,还比较了复合薄膜在热震实验前后力学性能和摩擦磨损性能的差异。为CrN硬质陶瓷基复合薄膜在宽温域自润滑领域的薄膜设计和工程应用给出了可参考的方案。研究结果表明:(1)Ag含量的持续增加会不断降低CrVN/Ag薄膜的硬度、弹性模量和结合力。在CrVN复合薄膜中加入适量的Ag,可以有效提高薄膜的高温摩擦学性能。当温度升高到400℃以上时,掺银CrVN薄膜的摩擦系数曲线开始显著平坦。此外,摩擦系数保持较低水平,并随温度的升高缓慢降低,这表明温度的升高有利于Cr2O3、V2O5和Ag3VO4润滑相的形成。(2)随着Mo S2含量的增加,薄膜的硬度和附着力增加,残余应力先减小后增大。添加适量Mo S2的CrN薄膜在高温下表现出优异的摩擦磨损性能,当温度升高到400℃,CrN/Mo S2薄膜的摩擦系数开始显著降低。此外,摩擦系数保持较低的值,并随着温度的升高而缓慢下降,这表明温度升高有利于Mo O2、Mo O3和Cr2O3润滑相的形成。(3)热震处理会降低薄膜的硬度、弹性模量、弹性因子、塑性因子和结合力。在热震前后,薄膜之间的摩擦系数差异主要表现在中低温阶段且热震后薄膜的磨损率普遍低于热震前,但CrNb N/Mo S2薄膜在各个温度条件下热震后磨损率均高于热震前。不同薄膜在不同温度下的磨损率存在较大差异。其中CrVN/Mo S2薄膜不论在热震前还是热震后,包括不同温度段下都表现出较低磨损率,室温条件下尤为明显。当温度升高到350℃,薄膜的摩擦系数开始显著降低且保持较低的值,并随着温度的升高而缓慢下降,这表明温度升高有利于Mo O3和Cr2O3润滑相的形成。
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