M50NiL钢表面等离子体渗碳原位DLC膜的形成机制与性能研究

发布时间：2020-03-18 06:06

【摘要】：M50NiL钢是新一代的航空轴承钢,表面处理后可以得到类似复合材料一样的结构,表面为高硬度的硬化层,而心部仍然保持较好的韧性。传统的高温气体渗碳工艺由于其在未来航空发动机性能、可靠性和经济性方面的局限性,已经出现被低温等离子体渗碳取代的趋势。然而,关于等离子体渗碳M50NiL钢方面的研究一直尚无报道。类金刚石碳膜由于低摩擦系数、高硬度和耐磨损等优异性能一直是研究的热点。将DLC膜和化学热处理结合是一种提高合金钢摩擦性能的方法。然而,多步工艺复杂耗时,且产品质量很难得到控制。因此,本文针对M50NiL轴承钢在航空发动机中耐磨减摩的应用要求,展开了低温等离子体渗碳层表面原位生长DLC膜的工艺探索,一步法制备了渗碳层和DLC膜的复合改性层,表征了其力学性能和摩擦学性能,并结合第一性原理计算阐明了等离子体渗碳原位DLC膜的形成机制。研究了气氛和温度对等离子体渗碳层的影响,渗碳表层形成相包括含碳马氏体相、渗碳体相和Fe_3O_4相。随着碳源气体比例的提高,主要相由α?_c相转变成Fe_3C相。同时,渗碳层厚度先增加后减小。气氛对基体硬度的影响可以忽略。500℃和550℃渗碳表面和次表面的主相均为α?_c相,并且表面含碳量低于次表面。随着渗碳温度降低至400℃和450℃,表面α?_c相逐渐转变为Fe_3C相,次表面主相依然为α?_c相。450℃渗碳时,随着时间的延长,表面α?_c相超饱和,并转变为Fe_3C相。500℃渗碳时,由于等离子体溅射效应,随着时间的延长,表面含碳量逐渐下降。由于回火效应渗碳后基体硬度下降,其中较高温渗碳时最明显。渗碳层的微观结构演变反映等离子体渗碳是一个扩散可控过程,计算碳在马氏体和渗碳体相中的扩散激活能分别为64.5 kJ.mol~(-1)和120.7kJ.mol~(-1)。研究发现高比例碳源气氛时,低温长时间等离子体渗碳有助于在表面形成DLC膜。0.3C试样表面形成了光滑的DLC膜,sp~3含量为53%,硬度达到了13.942 GPa,耐磨性和耐腐蚀性均优于其他渗碳试样。400℃和450℃渗碳表面形成了DLC膜,其中0.15C气氛400℃渗碳12 h试样表面的DLC膜性能最佳,膜厚大约为0.8μm,粗糙度Ra 9.5 nm,sp~3含量大约为54.3%,硬度达到13.227 GPa,具有稳定的低摩擦系数(约为0.25)和低磨损率(1.97×10~(-6)mm~3N~(-1)m~(-1))。其中,渗碳后试样磨损机制由严重的黏着磨损转变为微切削磨损和氧化磨损。DLC膜在等离子体渗碳过程中的原位生长是基于渗碳形成了包含Fe_3C相的渗碳层,第一性原理计算结果验证了Fe_3C相作为衬底对DLC膜的形成具有诱导效应。第一性原理计算预测了合金掺杂Fe_3C相对其性能的影响。Cr、Mo、Ni或者V掺杂Fe_3C相使其结合能降低,这是由于Cr、Mo、Ni和V与碳的结合性比Fe与碳的结合性更强。Cr、Mn、Mo和V掺杂Fe_3C相的形成焓均低于Fe_3C相的形成焓,表明其掺杂能够提高Fe_3C相的稳定性。合金元素掺杂Fe_3C相的(001)面是最稳定的,(010)面次之,(100)面为最不稳定的表面。Ni掺杂Fe_3C相能够稳定其表面,Cr、Mn、Mo和V的掺杂会降低Fe_3C相的表面稳定性。碳在渗碳体(100)面的吸附能最大,(001)面次之,(010)面的吸附能最小,即(100)为最佳的碳吸附表面。Mn、Mo、Cr和V的掺杂渗碳体均提高了Fe_3C对碳的吸附能。渗碳体(100)表面的sp~3键合碳形成能最大,其次是(001)表面,(010)表面的sp~3键合碳形成能最小。因此,Fe_3C(010)表面最有利于DLC的生长。Mn、Mo、Cr或者V的掺杂Fe_3C相均不利于DLC膜的生长,但是Ni掺杂Fe_3C相有利于DLC膜的生长。
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航空发动机轴承

第1章绪论题背景及研究目的和意义承是一种重要的机械零部件，它可以实现机械零件之间以较小的者相对运动，起到了传递载荷、保证回转精度的作用[1]。轴承在正常工作时需要承受其材料单轴屈服强度 2-3 倍的静载荷和循环于轴承材料的性能和稳定性提出了很高的要求，尤其是对于航空轮机及高速列车等高端装备的应用中[2]，，其中在航空发动机这一用更是对其轴承材料提出了严苛的要求。举例来说，航空发动机在高温和较差的润滑条件下承受振动应力、弯曲力矩和高的旋5000 r/min）[1]。航空发动机轴的速度（dm·n）等于轴承的平均直m）和旋转轴速度（n，单位 r/min）的乘积，为了提高飞行器的数要求不断被刷新[3]，如图 1-1 所示，因此未来航空飞行器的发航空发动机轴承材料向着更高疲劳寿命和更高耐磨强度的方向发

XRD图谱,等离子体渗碳,试样,XRD图谱

理试样和试样 623、673、723 和 773K 等离子体渗碳的 XXRD patterns for as-quenched sample and for samples carburi723 and 773 K[48]微观结构和性能耐蚀性兼具的膨胀奥氏体/马氏体相（S 相[66]或者中最重要的发现之一。研究表明 S 相不仅在不锈获得，而且在 Ni-Cr[68, 69]和 Co-Cr[59, 60, 70]合金的低。众所周知，S 相是一种高硬度的碳/氮过饱和固性，同时它又是一种无析出或者少析出相的结构，。织角度来看，透射电子显微镜（Transmission elect显示[71]微孪晶和滑移带在 S 相中出现，这表明 S并且，晶界和滑移线沿着基体到 S 相是连续过渡中未发生新相形核或者生长。澳大利亚的 Fewell
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V252.1;TG174.445

【参考文献】