基体强化对钛合金磁控溅射镀层摩擦磨损性能的影响

发布时间：2020-10-20 22:32

　　 磁控溅射离子镀硬质镀层具有良好的摩擦学特性,但钛合金硬度低,承载时易发生较大的塑性变形,膜基力学性能差异大,载荷作用下镀层极易开裂,导致镀层不能正常发挥其摩擦学性能。本文通过改变等离子体清洗工艺参数,优化了钛基体的表面状态。采用喷丸和微弧氧化两种预处理工艺对钛基体进行强化,制备磁控溅射离子镀GLC减摩耐磨镀层及C rAlYN硬质镀层,研究钛基体强化对镀层摩擦学性能的影响。研究结果表明:等离子体清洗导致的钛基体表面粗糙度变化是影响镀层膜基结合力的主要原因。随着等离子体清洗负偏压的增加,钛基体表面粗糙度先增后降,镀层的膜基结合力与其正相关。当清洗工艺参数为-300V/20min时,钛基体表面粗糙度最大,GLC镀层的临界载荷最高。经喷丸预处理后TC4钛合金表面硬度为412HV0.05,硬度提高了3 1.2%,硬化层深约180μm。微弧氧化预处理试样表面硬度为746.5HV0,5,硬度提高了 100%左右。基体硬度的提高使得复合处理试样的表面硬度均高于单一镀层试样。基体强化是通过提高基体硬度,改善镀层与基体变形的协调性,减缓镀层破裂、剥落倾向,基体喷丸预处理后镀层膜基结合力可提高15.7%,提高了镀层摩擦学性能的可靠性。试样的高硬度减少镀层的摩擦接触面积,降低摩擦系数和磨损率。基体喷丸预处理后GLC镀层试样摩擦系数可降低28%,磨损率减小一个数量级;基体微弧氧化预处理后GLC镀层试样摩擦系数减小了24%。外加载荷超出复合处理试样的承载能力时,基体强化作用无效,复合处理试样和单一镀层试样的摩擦学性能无差别。基体喷丸预处理后CrA1YN镀层试样2N时的摩擦系数降低了9.5%,8N时摩擦系数相同。镀层的摩擦学性能与基体和镀层的力学性能差异也有关。当基体强化程度相同时,镀层和基体的硬度、弹性模量差值越小,变形协调性越好,摩擦学性能越好。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG174.4;TG146.23
【部分图文】：

钛及其合金主要用于螺旋桨、阀门及管道系统等，大大提高了这些零件的使命[5]。在生物工程领域，钛及钛合金用来制造人工关节、心脏起搏器外壳、人工种植牙著降低了植入损伤对人体机能的影响[6]。钛具有同素异构转变，温度降低到 882℃时，会从体心立方结构转变为密排六方结构纯钛中添加一些其他元素形成钛合金，按相的构成将钛合金分为三类[7]：TA 系列，密方结构（hcp）的α型合金；TB 系列，体心立方结构（BCC）的β型合金；TC 系列，两合的（α+β）型合金。TC4 钛合金又称 Ti-6Al-4V 合金，具有较高的强度，良好的耐热性、断裂韧性、成形性、耐腐蚀等性能，其合金化简单，工艺成熟，易于规模化生产[前钛合金产品中的 60%为 TC4 合金，但硬度低、导热差，在摩擦中极易发生粘着是其际应用中的一大问题。据资料统计，钛合金约 80%的机器零件损耗是由摩擦磨损导致的善钛合金摩擦学性能，是目前钛合金应用中迫切需要解决的问题。因此，对摩擦磨损工件的钛合金零件必须进行适当的表面改性，提高其耐磨性。图 1-1 为近 20 年内 Web ocience 数据库中关于钛合金磨损和表面处理研究的文献数量统计。钛合金磨损相关文献 8267 篇，其中表面处理文献有 3885 篇，约占钛合金磨损文献的 47.0%，说明利用表面改善钛合金磨损是当前研究热点。

层 DLC 具 有 最 佳 耐 磨 性 。 Langping Wang[30]等 人 在 Ti6Al4V 表 面iCN/TiC/DLC 梯度复合薄膜，与单层 DLC 薄膜相比承载能力和耐磨性都显层的摩擦接触机制磨损是两接触表面上发生相对运动的复杂现象，摩擦过程中会发生物理、，它是由多个因素共同影响的过程。通常影响镀层摩擦磨损性能的因素有、滑动速度、润滑条件和温度等。Allen mathews 等人[31]详细分析了镀层照接触条件不同分为：宏观机械摩擦机制，微观机械摩擦机制，纳米机械摩机制和材料转移机制。）宏观机械摩擦机制描述了整个接触的应力和应变分布，摩擦表面的相互性变形，以及总的磨屑的形成过程及动力学。镀层的宏观机械摩擦机制主：镀层和基体的硬度关系，镀层的厚度，表面粗糙度，磨屑的大小和硬度的相互影响将导致以特定摩擦接触机制为特征的不同接触状态。图 1-2 为接触状态示意图，会在摩擦过程中产生 12 种摩擦现象，包括犁削、剪切基体变形、划擦、侵入、减少接触面积和咬合、微凸体疲劳、磨粒嵌入、磨、磨粒破碎。

1 绪 论，可以通过表面复合处理解决钛合金表面摩顶部镀层，再用深层表面硬化层作为磁控溅轻载荷作用下基体的塑性变形，提高基体承不仅可以降低摩擦系数提高耐磨性，还可以层的剥离。表面的影响镀膜之前对基体进行等离子清洗是必不可少子构成，整体呈电中性的粒子集合体。因为是指阳离子的轰击作用，阳离子在电场和磁子具有相当大的动能，与基体发生一系列反
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本文编号：2849245