Ag、Mo粒子共注入GH4169合金及其摩擦学性能研究

发布时间：2020-06-12 21:41

【摘要】：GH4169合金是一种镍基高温合金,具有优异的抗疲劳抗氧化性能和良好的加工性能,广泛用于制造航空航天、核能和石油等行业的复杂工程零部件,如涡轮盘、叶片、套管、轴和紧固件等。然而,零部件间的相对运动,不可避免地会有摩擦和磨损,是影响GH4169合金长期服役效果和使用寿命的主要原因,因此,改善GH4169合金的摩擦学性能,提高其作为零部件的耐磨性能具有重要的研究意义和价值。离子束辅助轰击技术不仅增强基底材料表面硬度,同时非平衡工艺条件使得表面原子具有高的活性,有利于材料磨损过程中形成氧化保护膜。本文针对工程用GH4169合金存在的磨损问题,采用离子束辅助轰击技术对GH4169合金进行粒子注入,改善其摩擦学性能和力学性能。表征后分析Ag/Ag+Mo粒子注入GH4169合金后的物相组成、表面形貌、原子浓度分布、磨损表面元素化合态等,其主要研究结果如下:在较低的施加载荷和滑动速度下,对离子束辅助轰击Ag粒子注入GH4169合金的磨损行为进行研究,结果表明,当衬底温度为400℃C时,Ag粒子注入合金具有最好的耐磨性能且硬度相对最大,其磨损率降低了 80%,由2.58×10-4mm3·m-1降低到6.25×10-5 mm3·m-1。Ag粒子注入GH4169合金耐磨性能的提高,一方面是由于合金的磨损表面存在含有Ag和AgO的连续润滑膜,主要磨损机制从磨粒磨损和粘着磨损变为氧化磨损和粘着磨损;另一方面是由于高速Ag粒子的注入和高能量Ar离子束轰击会引起大量位错、间隙原子和空位簇等缺陷,这些缺陷会导致强化效应,从而提高合金表面硬度,减少磨损。在Ag粒子注入GH4169合金及其摩擦学性能研究基础之上,采用离子束辅助轰击Ag、Mo粒子共注入于GH4169合金,可以更为明显地改善合金材料的耐磨损性能,相对于Ag粒子注入GH4169合金,Ag、Mo粒子共注入GH4169合金的磨损率减小了 54%,这是由于离子束辅助轰击,会导致注入粒子的高活性,使得在制备过程中合金表面就有钼酸银相合成,而在摩擦实验过程中,磨损表面由于反复的赫兹接触应力以及其导致的温升诱导有钼酸银进一步生成,与其他金属氧化物一起形成连续氧化物膜,主要磨损机制由磨粒磨损和粘着磨损变为氧化磨损,从而降低磨损。
【图文】：

润滑性能,石墨,层片,相对滑动

移面会产生相对滑动，这使得原来做相对滑动的金属表面之间的摩擦转变为分子逡逑层之间的摩擦，因而可以达到减小摩擦系数和降低磨损的效果。石墨与二硫化钼逡逑是最典型的层片状固体润滑剂，六方晶体结构，其中石墨的晶体结构如图１．１所逡逑示，石墨在室温和中低温段的润滑性能较好，但是，当温度高于４２５°ｃ则会由于逡逑发生氧化反应而失去其润滑性能［２２］。逡逑？？Ｓｔｒｏｎｇ＊＾逡逑ｆ逡逑｜Ｍ逦１１逦！逦ｉ逡逑一奢一S茫慧五澹惧义希慑澹义希坼澹。保澹″危慑危殄义稀骨兀福村錦，？逡逑图１．１石墨的晶体结构逡逑与石墨类似，过渡族金属二硫化物Ｍ0Ｓ２和ＷＳ２也具有层片状晶体结构，且逡逑具有良好的润滑性能，应用广泛。在相同条件下，二硫化钼润滑剂的使用寿命和逡逑失效载荷都比石墨大，这是由于Ｍ0Ｓ２中各层原子间结合键强度与层间结合强度逡逑２逡逑

示意图,设备系统,示意图

２．１．１离子束辅助轰击设备逡逑本课题实验是在ＭＩＳ８００型多功能离子束磁控溅射复合镀膜设备上制备注入逡逑样品的，设备系统示意图如图２．１所示。该设备包括四个考夫曼离子源（一个中能逡逑注入离子源、两个离子束溅射源和一个低能辅助离子源）以及三个磁控溅射靶（两逡逑个永磁靶和一个电磁靶）和六个既可公转又可自转样品台（两个水冷台、一个加热逡逑台、一个粉末台、两个自加热样品台），加热台最高加热温度可达５００°Ｃ，水冷台逡逑可使衬底维持２０°Ｃ左右，设备极限真空优于ｌＸｌ（Ｔ４Ｐａ，，杂质气体影响可以忽略。逡逑Ｃｏｏｌｉｎｇ逦Ｃｏｏｌｉｎｇ逡逑Ｗａｔｅｒ邋Ｉ逦Ｗａｔｅｒ逡逑＿逦Ａｓｉｓｓｔｅｄ逦—逡逑！逦ｉｏｎ邋ｓｏｕｒｃｅ逡逑Ｍｏ邋Ｔａｒｇｅｔ邋ＪＵｌ邋￣邋逦Ａｇ邋Ｔａｒｇｅｔ逡逑／邋／邋．＼、＋、Ｔ：ＡＤｒ：逦，逦／邋＼、ＣｌＡｒ＋ＩｏｎＢｅａｍ逡逑Ａｒ＇ＩｏｎＢｅａｍｐ邋／逦＼邋Ｎ．邋ＩｄｎＢｅａｍ邋／逦，逦、、逡逑／邋／＇邋、．、？、：邋：邋／邋／邋、＼逡逑／ｖ邋／邋Ｍｏ邋Ｐａｒｔｉｃｌｅ＃邋＼逦／逦，４ｇＰａｒｔｉｃｌｅ邋Ｎ邋／＼逡逑ｖ逦Ｗ逦ｖ逡逑Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ逦ＧＨ４１６９逦Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ逡逑ｉｏｎ邋ｓｏｕｒｃｅ邋２逦Ｓｏｂｓｔｒａｔｅ逦＇ｏｎ邋ｓｏｕｒｃｅ邋１逡逑图２．１设备系统示意图逡逑考夫曼离子源由两部分构成，真空放电室和双栅系统（一个屏栅和一个加速逡逑栅），其工作原理是将氩气引入到热阴极放电室内，阴极发射出电子与氩气分子碰逡逑撞电离产生氩离子，自加速栅极引出，经过屏栅的孔之后便形成氩离子束，离子逡逑源性能参数见表２．１。离子束辅助轰击技术
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3

【参考文献】