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钛合金表面金属掺杂类金刚石薄膜的摩擦磨损性能研究

作者: 发布时间:2022/4/8 0:17:08 浏览次数:

真空离子镀钛合金具有强度高、密度低、耐蚀性好、中温力学性能稳定等特点。它已广泛应用于航空航天、化工、生物医学等领域。然而,钛合金耐磨性差,对粘着磨损和微动磨损非常敏感,严重影响钛合金结构的安全性和可靠性,因此,利用表面改性技术改善钛合金的摩擦磨损性能引起了人们的广泛关注。类金刚石(DLC)薄膜具有许多与金刚石相似或相似的优良性能,如高硬度、良好的摩擦磨损性能、高导热性和稳定的化学性能。类金刚石膜作为表面保护膜,摩擦系数低,与许多材料的摩擦系数小于0.2,具有良好的自润滑特性。目前,类金刚石薄膜已应用于光盘模具和计算机磁盘,但其在工程部件中的应用,尤其是在恶劣条件下(如航空航天),仍处于研究阶段;此外,国内外对类金刚石碳膜的摩擦磨损实验研究主要集中在钢基体上,对钛合金基体上制备的类金刚石碳膜在大载荷下的摩擦磨损行为鲜有报道,作者采用阳极层流矩形气体离子源(AE公司直流电源)结合直流非平衡磁控溅射法,在Ti6A14V钛合金基体上沉积了掺钛类金刚石碳膜和掺钨类金刚石碳膜,并进行了高负荷微动摩擦磨损性能对比试验,为类金刚石膜在钛合金表面的应用提供实验依据。实验部分𞓜基材为单晶硅片、不锈钢片(用于微观结构测试)和Ti6A14V(TC4)钛合金(用于摩擦性能测试)。钛合金退火后的显微硬度为2.89PA,尺寸为d24Mm×7.88Mm,磨削后的表面粗糙度为0.8um。采用阳极层流矩形气离子源结合非平衡磁控溅射设备在钛合金表面沉积了类金刚石膜。使用的气体为99.99%的高纯度氩气和99.99%的高纯度甲烷。分别用金属清洗液和无水乙醇对钛合金基体表面进行超声清洗。干燥后,置于真空室中,真空至5×10-3PA,氩气至5×10-1PA,离子源结合直流偏压溅射钛合金表面;沉积过程中的真空度为3×10-1PA,直流偏压为-100V,首先通过磁控溅射制备过渡层(两种薄膜的梯度过渡层工艺相同),然后通过离子源将甲烷电离成碳离子,开启W和Ti磁控靶进行掺杂,制备W-dlc和Ti-dlc薄膜。分别用phiquanterasxmX射线光电子能谱(XPS)和PHI-610/Sam扫描俄歇微探针分析薄膜的结构和成分,用6ja干涉显微镜和金相法测量薄膜厚度,用hxd-1000显微硬度计测量薄膜硬度,采用ws97涂层附着力划痕试验机测量薄膜/基体的结合强度。

摩擦磨损试验在德国生产的最佳SRV摩擦磨损试验机上进行,采用表面对表面接触的形式,将被测样品(尺寸d24Mm×7.88Mm,表面粗糙度Ra为0.8um)固定为被动摩擦副,摩擦件材料为16ni3crmo(表面硬度大于58HRC,表面粗糙度Ra为1.6um),尺寸为凸台D385Mm×5.00Mm,底部平台d20。00Mm×16.50Mm,主动摩擦副前后滑动,行程0.25Mm,频率150Hz,负载50~600N,润滑油。试验在室温下进行。摩擦系数在试验过程中持续监测。使用talysurf5p-120表面形貌仪测量磨损痕迹的截面深度,并计算磨损率。利用jsm5910扫描电子显微镜(SEM)对磨痕的表面形貌进行了观察和分析。