自润滑氮化钒基复合涂层制备及宽温域摩擦磨损特性研究
本文选题:屈服抗力 切入点:VN基涂层 出处:《哈尔滨工业大学》2017年博士论文 论文类型:学位论文
【摘要】: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。
[Abstract]:With the rapid development of modern aviation, aerospace, nuclear power, and other high-tech industries Aluminum Alloy, nickel alloy, high speed and high power cutting titanium alloy high strength metal and proposed the urgent demands on tool coating materials and advanced technology. In high speed, high strength and high power cutting conditions, cutting temperature often increased to 700 DEG C, thereby cutting edge and workpiece inevitably at high temperature, temperature, oxidation and other adverse conditions, the traditional coating is difficult to maintain the low friction coefficient and wear rate in a wide temperature range, which restrict the development of our country to improve the quality of metal processing and high performance cutting machine. Therefore, wide the temperature field of developing excellent self lubrication coatings, has important theoretical and practical value to promote the development of China's high performance cutting tool and machine tool. In this paper, multi arc ion plating technique is developed based on VN (nitrogen vanadium) based self lubrication Sliding composite coating was studied by using numerical method of VN based composite coating / substrate system under different coating thickness and elastic modulus of the yield rule, to explore the VCN (vanadium carbonitride) and VN/Ag (vanadium nitride / Ag) composite coating on friction and wear characteristics of wide temperature range, and further reveals the impact of the mechanism of sliding conditions on the tribological properties of VCN coatings. The plane strain model of VN composite coatings and rigid plane micro contact, the study of VN based coating / substrate system compression deformation critical yield characteristics, the results show that the initial yield of super thick coating is located in contact center at a certain depth, and depth with Poisson change monotonically with the increase law. The critical conditions are super thick VN composite coatings. The initial yield for the thin coating of VN based coating / substrate system under different coating thickness and elastic modulus of the yield. Law, results show that the coating / substrate system of plastic zone or brittle crack along with the change of the parameter matrix in the coating may be adorable born, or at the interface, the difference increases with the increasing of VN based composite coating and matrix elastic modulus can reduce the system yield resistance. Through the evaporation of V target in N2 and C2H2 atmosphere in the synthesis of VN and VCN the research shows that coating structure of C element in VCN coating is mainly formed in sp2C-C and sp3C-C bonded and bonded changed the morphology of VCN coating, crystal orientation and grain size, hardness and elastic modulus of VCN coating increased, but reduced the coating and the substrate bonding force, VN and VCN coatings at 25 DEG C study on the tribological properties of 300 ~ C, 500 ~ C and 700 ~ C, it was found that the friction coefficient of hybrid bond can obviously reduce the VCN coating in 25 ~ C~500 ~ C range and wear rate, but lost the effect at 700 ~ C. The effects of N2 flow rate on the VCN coating thickness. Ring, found in the -50 V 60sccm C2H2 flow, substrate bias voltage, 60 A current, the nitrogen gas volume of 350 SCCM basically reached the synthesis reaction coating amount, then growth does not cause the coating thickness is changed obviously. The design of L4 (23) orthogonal test, studied load, temperature and sliding friction frequency influence mechanism the wear characteristics of VCN coatings obtained relative sliding conditions VN and VCN coating adaptation. Through evaporation in the environment of N2 V, VN-VN/Ag self-lubricating composite coatings Ag target system, Ag elements to form nanoparticles in VN lattice, increases the surface roughness of the composite coatings, changed the crystal orientation the surface composite coating. By combining the evaluation of strength and mechanical properties showed that VN-VN/Ag self lubricating coating and VN coating adhesion compared with high hardness and elastic modulus, and has low. Research on VN-VN/Ag self lubricating coating at 25 DEG C~700 DEG C The friction and wear properties between the metal, results show that Ag improves the tribological properties of the composite coating at room temperature and 300 DEG C, and in 500 ~ C and 700 ~ C V2O5, Ag3VO4 Ag and VO3 oxide is a key factor in coating lubrication. Further study of structural heterogeneity and transition interface VN /Ag multilayer coating the friction and wear properties of mechanics and wide temperature range, results show that the content of Ag transition interface relatively heterogeneous interface value decreased 48 wt.%, V content increased 71 wt.%, in addition, the transition interface coating has high bearing capacity and anti failure performance. Through the study found that the tribological transition interface coating at room temperature with heterogeneous interface coating compared with low friction coefficient, the friction coefficient at 300 ~ C due to friction surface Ag poor two multilayer coating with high, at 500 DEG C and 700 DEG C, Ag elements to accelerate the transfer of the friction surface With the diffusion, the low shear strength vanadate and partial vanadate have been formed, so the friction coefficient of the two coatings is relatively low.
【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】:2017
【分类号】:TG174.4
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 徐永祥,严川伟,丁杰,高延敏,曹楚南;紫外光对涂层的老化作用[J];中国腐蚀与防护学报;2004年03期
2 杨文彬;张立同;成来飞;华云峰;张钧;;金属有机物化学气相沉积法制备铱涂层的形貌与结构分析[J];稀有金属材料与工程;2006年03期
3 勾昱君;刘中良;;优化抑霜涂层的实验研究[J];陶瓷研究与职业教育;2006年01期
4 朱佳;冀晓鹃;揭晓武;史明;;封严涂层材料及应用[J];材料开发与应用;2008年04期
5 斯蒂芬·H·加里法里尼;罗恩·巴纳斯;J·克里唐;龙克昌;;航天飞机用的高粘性涂层的研制[J];稀有金属合金加工;1981年04期
6 缪兴邦;水溶性织物涂层胶的合成[J];化学世界;1985年03期
7 陈斌,易茂中;封严涂层的抗冲蚀性与冲蚀速度的关系[J];中南工业大学学报;1998年04期
8 郑有新;浅谈涂层表面颗粒不良现象[J];材料保护;2001年04期
9 闫颖,石子源,刘国伟;锌铬膜涂层的制备研究[J];大连铁道学院学报;2002年04期
10 张琼,蔡传荣;钛阳极涂层溶蚀失效的研究[J];电子显微学报;2003年06期
相关会议论文 前10条
1 张琼;蔡传荣;;钛阳极涂层溶蚀失效的研究[A];第三届全国扫描电子显微学会议论文集[C];2003年
2 王颖;顾卡丽;李健;;智能变色涂层及其应用[A];第六届全国表面工程学术会议暨首届青年表面工程学术论坛论文集[C];2006年
3 单凯军;余文莉;徐四清;;家电环保涂层表面性能检测的研究[A];2007中国钢铁年会论文集[C];2007年
4 李金桂;;无机富锌涂层的诞生和应用[A];第二届全国重防腐蚀与高新涂料及涂装技术研讨会论文集[C];2004年
5 王允夫;陈小英;王红玲;;高温合金抗热震涂层研究[A];中国硅酸盐学会搪瓷分会2003年学术研讨会论文集[C];2003年
6 刘建华;李兰娟;李松梅;;铝合金早期腐蚀预警光基敏感涂层的研制[A];2004年材料科学与工程新进展[C];2004年
7 林达仁;;梅雨期涂层表面泛白现象及其防治[A];中国电子学会生产技术学会第三届化工学术年会论文汇编(下)[C];1991年
8 庞佑霞;刘厚才;郭源君;;有机复合弹性涂层材料的抗磨蚀实验研究[A];第七届全国摩擦学大会论文集(二)[C];2002年
9 付前刚;李贺军;黄剑锋;史小红;史波;李克智;;炭/炭复合材料磷酸盐涂层的抗氧化性能研究[A];第19届炭—石墨材料学术会论文集[C];2004年
10 王兴原;苗晓;胡志强;光红兵;顾祥宇;;改善无取向硅钢环保涂层表面特性的方法研究[A];高性能电工钢推广应用交流暨第五次全委工作(扩大)会专题报告及论文[C];2013年
相关重要报纸文章 前8条
1 赵志玲;带卷粉末涂层新技术[N];世界金属导报;2012年
2 记者 姚耀;纳米复合涂层新技术为飞机护航[N];中国化工报;2010年
3 赵艳涛 曹垒 陈刚 孙亚娜;沙钢无取向硅钢涂层调试改进工艺[N];世界金属导报;2014年
4 华凌;美开发出智能过滤涂层[N];科技日报;2012年
5 莫文铸;防止衣服变脏科学家研制超疏液材料[N];中国纺织报;2013年
6 ;建筑幕墙用铝塑复合板[N];中国建材报;2008年
7 王烁 王奇 陈运法;玻璃幕墙专用纳米自清洁涂层的研究[N];中国建材报;2006年
8 刘小革;我国核聚变装置壁处理再创新技术[N];四川科技报;2000年
相关博士学位论文 前10条
1 慕永涛;自润滑氮化钒基复合涂层制备及宽温域摩擦磨损特性研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
2 李增荣;铝制内燃机缸体内壁铁基涂层的制备及摩擦学特性的研究[D];沈阳工业大学;2016年
3 黄海;多孔钛合金表面HA涂层改性及大动物体内骨修复研究[D];第四军医大学;2016年
4 张晶;纯钛表面载LAMA3涂层在种植体—牙龈生物学封闭形成中的作用[D];浙江大学;2016年
5 朱利安;耐高温铱/铼涂层制备技术与性能研究[D];国防科学技术大学;2014年
6 向鑫;铝化物阻氘涂层中的基底效应研究[D];中国工程物理研究院;2016年
7 彭雪星;V-5Cr-5Ti表面V-Al/Al_2O_3阻氚涂层的制备及性能研究[D];中国工程物理研究院;2016年
8 张雪;生物医用多孔镁及纯镁表面玻璃陶瓷水泥涂层的制备及性能研究[D];东北大学;2014年
9 肖洋轶;固体润滑涂层的损伤裂纹演变及其摩擦学特性研究[D];重庆大学;2016年
10 元辛;涂层/金属体系腐蚀失效行为的理论及实验研究[D];西北工业大学;2016年
相关硕士学位论文 前10条
1 陈喜娟;两种耐磨涂层的组织结构表征及性能研究[D];西安石油大学;2015年
2 段晋辉;WS_2-TiB_2固体润滑涂层的制备及性能研究[D];昆明理工大学;2015年
3 王昊;连续高频感应真空熔覆技术研究[D];青岛理工大学;2015年
4 赵亚穷;聚碳酸酯透明件/纳米TiO_2涂层的耐紫外老化及环境应力开裂行为研究[D];郑州大学;2015年
5 王有维;铝电解槽TiB_2阴极涂层的制备及其性能研究[D];昆明理工大学;2015年
6 辛欣;Ti(Cr)SiC(O)N涂层表面改性硬质合金及热处理对其机械性能的影响[D];西南交通大学;2015年
7 刘玉洁;铜介导的多酚涂层用于心血管材料表面改性的研究[D];西南交通大学;2015年
8 姚竟迪;土壤模拟液中三种涂层的腐蚀电化学行为研究[D];大连海事大学;2015年
9 牛永辉;结晶器CuCrZr铜板表面超音速等离子喷涂Cr_2O_3-TiO_2涂层的组织与性能[D];西安建筑科技大学;2015年
10 薛绘;聚酰亚胺涂层胶的制备与性能[D];南京理工大学;2015年
,本文编号:1649521
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/1649521.html