表面涂层摩擦机理研究

详细分析了表面涂层的摩擦机理。其中涂层的摩擦机理主要可分为油层参数影响原理、摩擦化学原理、摩擦物理原理与材料转移原理等。涂层参数是指涂层及基体的硬度值、涂层厚度和基体表面粗糙度。摩擦化学原理包括涂层表面化学保护层的生成、涂层的氧化等方面的理论。而材料转移原理是指由于摩擦界面之间形成材料转移层而导致摩擦界面的摩擦特性的改变。     

涂层材料特性对滚动轴承接触性能的影响

使用半解析法求解涂层材料的接触问题. 对于接触压力的求解采用共轭梯度法;而表面弹性变形以及次表层应力,通过解析法得到影响系数,并采用离散卷积-快速傅里叶变换加速求解. 结果表明,薄涂层对表面压力的改变很小,主要由基体承受载荷,对于滚子轴承而言,涂层不能消除边缘压力集中;最大Von-Mises应力的大小和位置与涂层材料、涂层厚度以及摩擦因数有关;与软涂层相比,硬涂层具有较大的界面剪切应力,涂层剥落、黏着失效更易发生,随着涂层厚度的增加,最大界面剪切应力先增加后减小.      

超音速火焰喷涂WC涂层替代电镀硬铬：疲劳和摩擦磨损性能

以WC涂层在飞机起落架的应用作为研究背景,对300 M超高强钢基体上电镀硬铬和超音速火焰喷涂WC-17Co和WC-10Co4Cr涂层的疲劳及与Al—Ni—Bronze合金的摩擦磨损性能进行了研究。结果表明,有WC涂层300 M钢的疲劳寿命与无涂层300 M钢的疲劳极限和过载下的疲劳寿命相当,WC涂层对300 M钢的疲劳寿命不会产生不良影响;而电镀硬铬使300 M钢的疲劳极限降低120 MPa,疲劳寿命则降低70 %～90 %。疲劳失效分析表明, WC涂层中的疲劳裂纹在界面上发生偏斜,转向沿界面扩展,因此对基体的疲劳寿命没有影响;而电镀硬铬中的的疲劳裂纹扩展到基体表面,显著降低基体的疲劳寿命。10#航空液压油润滑下涂层与Al—Ni—Bronze合金的摩擦磨损表明,与电镀硬铬对磨时,Al—Ni—Bronze合金发生明显的磨损,同时因质量转移而导致电镀硬铬的质量显著增加;而WC涂层仅略有失重,相应地Al—Ni—Bronze合金的失重仅为与电镀硬铬层磨损失重的1/50～1/100。WC涂层与Al—Ni—Bronze合金的磨损机理主要为磨粒磨损;电镀硬铬与Al—Ni—Bronze合金的磨损机理主要为黏着磨损。     

真空度对消失模铸造表面陶瓷层形成过程影响

研究了消失模镁合金表面陶瓷层的制备工艺,选用AZ91D作为基体合金,低熔点的玻璃粉作为陶瓷化材料,分析了真空度对表面陶瓷层微观形貌的影响和陶瓷层与基体之间结合界面的状况.结果表明:在其他参数固定的条件下,真空度的大小对涂层和界面结合质量影响很大;当真空度从-0.02MPa变化到-0.06MPa时,基体表面形成的陶瓷涂层变得更加致密、均匀,当真空度为-0.08MPa时,涂层和基体的界面变得凹凸不平.通过对铸件表面消失模涂料以及在浇注过程中泡沫模样状态的分析,建立了消失模镁合金表面陶瓷涂层形成过程模型.     

激光熔覆生物陶瓷涂层化学冶金反应研究

研究了激光熔覆钛合金表面获得生物陶瓷涂层的化学冶金反应过程，用X-ray衍射和能谱分析方法检测了生物陶瓷涂层和涂层与界面的物相和成分分布．结果显示涂层内和涂层与基材间出现了新相，这表明其中发生了复杂的化学冶金反应．适当的激光熔覆工艺、涂层及基体的物性三者确定了化学冶金反应发生的各种条件．在这些条件作用下，涂层内合成了具有生物活性的钙-磷陶瓷，形成了牢固的界面．     

钛表面电化学刻蚀及HAP/Ti复合生物材料的研究

电化学沉积法在光滑钛表面上得到的羟基磷灰石涂层存在着不耐载荷，应力作用下结合界面易被破坏的缺陷．本采用电化学刻蚀技术在钛表面形成微观的粗糙结构．然后用电化学方法在粗糙化的钛表面直接沉积纯的羟基磷灰石，并应用XRD．SEM．FTIR漫反射光谱，电化学交流阻抗及拉伸结合力实验等对复合膜层的化学组成、结构及力学性能进行表征．结果表明．钛表面经粗糙化后可改善羟基磷灰石与钛基体之间的界面状况．显提高羟基磷灰石涂层与钛基体的结合力．实验表明，电化学沉积可获得纳米尺度均匀致密的纯羟基磷灰石涂层，有望提高植人体的表面生物活性．     

氮化硅表面生长金刚石薄膜及其摩擦磨损性能研究

目的研究金刚石耐磨涂层的摩擦磨损性能,以提高工件的使用寿命.方法利用微波等离子体化学气相沉积技术在氮化硅陶瓷基体表面制备金刚石薄膜.采用扫描电子显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪对不同参数的金刚石薄膜进行结构表征,利用球-盘式摩擦磨损试验机在干摩擦条件下对薄膜的摩擦学性能进行研究.结果制备的金刚石薄膜表面粗糙度小,结合力良好;金刚石涂层有效降低了氮化硅表面的摩擦因数与磨损率,摩擦因数约为0.12~0.25.在微波功率8 k W、腔体气压6 k Pa、甲烷体积分数8%的参数下制得的涂层具有最低的摩擦因数(0.12)和磨损率(1.18×10-7mm3/(N·m)).结论在氮化硅基体表面沉积金刚石薄膜可以提高氮化硅材料的摩擦磨损性能,提高工件寿命.     

阴极弧离子镀TiAlSiN涂层摩擦与磨损行为

采用阴极弧离子镀法在GH4169合金表面制备了TiAlSiN涂层,通过扫描电镜和能谱仪分析了其表面和界面的形貌和能谱,用轮廓仪测试了涂层表面粗糙度.在往复式摩擦磨损试验机上进行了涂层摩擦与磨损实验,通过能谱仪分析了涂层表面磨损后点能谱和面能谱,考察了TiAlSiN涂层的摩擦因数和磨损性能,对其磨损机理进行了讨论.实验结果显示涂层表面组织结构较为致密,表面粗糙度为194.57 nm;涂层主要成分为Ti、Al、Si和N元素,Si原子细化了TiN和AlN晶粒;涂层结合界面发生了化学反应和成分的相互扩散,其结合形式为化学结合;涂层摩擦因数平均值为0.493,磨损形式为磨粒磨损;磨损痕迹面扫描结果表明,磨损后Al和Ti形成的氮化物减少,Si和N原子无明显的减少现象,涂层耐磨性增强主要依赖于Si和N形成的化合物.     

38CrMoAl与多种涂层材料的结合性能分析

利用ANSYS workbench软件对涂层与基体进行建模,采用有限元方法分析38CrMoAl基材与TiN、TiC、SiC和DLC涂层材料之间的结合力情况,研究了结合力随涂层不同及施加载荷不同的变化.结果表明:当TiN、TiC、SiC涂层与基体结合时,残余应力主要集中在涂层与基体的结合处,在涂层表面与基体内部的分布较为均匀,而DLC涂层由于具有较好的导热性,能够快速的将残余应力导向基体中;残余应力与扩散距离的关系在涂层表面处呈现非线性的变化,而在涂层界面和涂层整体则是随着应力扩散距离的增加,先急速减少再到基本保持不变.所以,采用适当的涂层制备工艺,对残余应力的改变与材料的使用性能会有很大的影响.     

涂层对氧化铝/耐热钢基复合材料磨料磨损性能的影响

通过化学气相沉积方法在氧化铝颗粒表面分别获得了Ni、TiN涂层。用不同涂层的氧化铝颗粒制备了氧化铝颗粒／耐热钢基复合材料，考察了复合材料在900℃下的磨料磨损抗力，结果表明：包Ni氧化铝复合材料的耐磨性是耐热钢的3．27倍，包TiN氧化铝复合材料的耐磨性是耐热钢的2．66倍。进一步的分析表明，包Ni氧化铝与耐热钢的界面结合强度可由无涂层时的0．67MPa提高到4．05MPa，而包TiN氧化铝与耐热钢的界面结合强度只提高到1．80MPa。较低的界面结合强度会导致氧化铝颗粒整体从基体中脱落，而包TiN氧化铝／耐热钢基复合材料的界面抗高温氧化性较差，也导致氧化铝颗粒易从基体中脱落，这两方面的作用是导致包TiN氧化铝复合材料高温磨料磨损抗力低的主要原因。     

电弧喷涂铝涂层阳极氧化后表面-截面结构分析

采用电弧喷涂工艺在S355钢表面制备Al涂层,并对其进行阳极氧化处理,通过SEM,EDS和XRD等技术分析试样表面-截面形貌、化学元素分布和物相组成,探讨氧化膜-Al涂层-基体的结合机理。实验结果表明:阳极氧化膜中Al与O出现富集现象,以Al2_O_3形式存在;Al与O原子在氧化膜中为高浓度分布,构成氧化膜-Al涂层-基体的复合防腐蚀体系;Al涂层为富Al层,原子含量较高,而基体中Fe原子在界面处发生扩散现象;Al涂层中少量Al原子扩散进入基体,在界面处与Fe反应生成Fe-Al化合物,提高电弧喷涂Al涂层的结合强度。     

单晶铜表面划擦过程模拟

应用分子动力学模拟技术模拟刚性针尖在单晶铜表面的划擦过程，探讨在微观领域材料的摩擦磨损特性，为进一步探讨纳米摩擦模拟技术及微观领域材料特性奠定基础．模拟结果表明，在材料微观划擦机理中，针尖的摩擦阻力来自于基体表面位错的堆积，同时，位错在基体中的传播速度对摩擦阻力也有影响．     

涂层硬质合金刀具切削韧性研究

切削韧性和耐磨性是刀具材料发展中的一对主要矛盾。目前涂层硬质合金刀片的耐磨性大大优于非涂层基体硬质合金刀片,而切削韧性却有所下降。不同的涂层厚度,不同的涂层材料和不同的基体材料对涂层刀片切削韧性的影响程度亦有所不同。 本文从探讨涂层刀片的破损机理入手,分析了涂层刀片切削韧性下降的原因;推导了涂层刀片表面残余应力σ_R的计算公式;提出了基体材料必须具备较高的断裂韧性K_(1c),进而寻求提高涂层刀片切削韧性的途径;并用断裂力学理论定量试算了最佳涂层厚度。     

基于光弹实验与有限元法的涂层/基体接触应力分析

表面涂层处理常用于保护机械零件表面、减少磨损和提高使用寿命,涂层上的应力分布对零件表面破坏有着重要的影响.文中以聚碳酸酯/环氧树脂为涂层/基体材料,采用光弹实验对受载的涂层/基体进行光弹条纹采集,根据实验条件利用Abaqus软件建立涂层/基体的有限元模型,分析不同涂层厚度和载荷下的应力分布情况.实验和数值分析结果表明:在接触应力场中,最大剪切应力出现在材料的次表层而非表层,随着加载量的增大,最大应力值逐渐向基体扩展;不同涂层厚度下,应力场在结合界面处出现较大的突变,主要是由涂层与基体的材料物理性能不一致导致;光弹实验和有限元法得到的应力分布基本上是一致的.     

基于无网格方法的涂层接触问题研究

建立了含有表面织构的涂层的接触力学模型,将无网格理论与求解接触问题的线性规划方法相结合对模型进行了数值求解. 研究了涂层的材料、厚度及表面织构对接触压力和涂层-基体系统应力状态的影响. 结果表明:随着涂层与基体弹性模量比(E_c/E_s)增大,沿对称轴在涂层和基体界面处的应力梯度逐渐增大. 随着涂层厚度的增加,界面处应力梯度先增大后减小. 弹性模量比和涂层厚度对界面处的剪应力和Mises应力也有很大的影响. 减小表面织构间的间距能够降低涂层和基体内的最大Mises应力.      

粘结石墨基固体润滑涂层的微动摩擦磨损性能

为了探讨粘结石墨基固体润滑涂层的微动摩擦磨损性能的作用机理,使用SRV 微动摩擦磨损试验机对粘结石墨基固体润滑涂层在微动试验条件下的摩擦学性能以及抗承载能力进行研究,对其磨痕形貌和对偶转移膜进行分析.研究结果表明粘结石墨基固体润滑涂层的磨损率随着试验载荷和摩擦速度的增大而减小;而摩擦因数随着试验载荷增大而减小,随摩擦速度增大而缓慢增大;在微动摩擦过程中,高载高速可以促进高质量转移膜在对偶表面形成,从而使得粘结石墨基固体润滑涂层具有良好的抗承载能力和优异的抗磨减摩性能.     

螺栓固结界面接触刚度的虚拟材料建模

提出一种基于统计学模型的粗糙接触界面虚拟材料建模方法,将螺栓固结界面等效为局部的虚拟材料,虚拟材料与两侧接触基体固定连接。基于螺栓固结界面粗糙形貌的Greenwood-Williamson统计学模型描述,推导虚拟材料的弹性模量、泊松比、密度和厚度等材料参数的解析表达式,建立虚拟材料的材料参数与粗糙界面属性参数之间的关系式,分析螺栓固结界面的表面粗糙形貌、基体材料属性对虚拟材料的材料参数和界面接触刚度的影响特性。采用模态实验测试和基于虚拟材料的有限元仿真分析方法,验证粗糙接触界面虚拟材料建模方法的准确性。研究结果表明:虚拟材料的材料参数与法向载荷、界面粗糙度和接触基体弹性模量相关:随法向载荷和基体弹性模量的增加,虚拟材料的弹性模量增大,泊松比和厚度减少;随界面粗糙度的增加,弹性模量和泊松比减少,而厚度增大。螺栓固结界面接触刚度随法向载荷增大而递增,随界面粗糙增大而减小。     

铜合金表面激光诱导原位反应制备Ni基合金涂层

采用含有定量纳米铝粉的Ni基新合金粉为涂层原材料,利用激光诱导原位反应在Cu-Cr合金表面制备陶瓷相增强Ni基合金涂层.研究了样品涂层的结构和机理.结果表明:在优化的激光诱导原位制备工艺参数条件下,涂层与铜基体之间形成了由涂层元素和基体元素组成且晶粒细小的结合界面结构;纳米铝粉能够提供更多能量促进铜合金表面涂层的形成;涂层中原位生成了直径小于10μm的陶瓷颗粒增强的复合涂层组织结构;涂层成分中纳米铝粉和稀土氧化物的加入,减少了裂纹和孔洞缺陷的形成;表面涂层的平均显微硬度由铜合金基体表面的85 HV提高到了340 HV.     

T10钢表面HVOF喷涂WC-10Co-4Cr涂层的耐磨性研究

采用超音速火焰喷涂(HVOF)工艺在T10钢表面制备了WC-10Co-4Cr涂层,用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)观察了喷涂粉末和涂层的微观结构,用摩擦磨损试验机测试涂层在无润滑及油润滑条件下的摩擦磨损行为。结果表明:WC-10Co-4Cr涂层的未融颗粒较多,涂层微观结构致密,孔隙率约为0.8%;涂层表面显微硬度呈现常规的单模分布,而涂层-基体截面显微硬度呈现双态分布,涂层表面硬度高于截面硬度,且更为稳定;在干摩擦和油润滑条件下,涂层的摩擦系数随加载力的增大而减小,基体的摩擦系数也随加载力的增大而减小;WC-10Co-4Cr涂层的磨损深度约为T10基体磨损深度的1/3;WC-10Co-4Cr涂层的磨损机制为磨粒磨损,T10基体的磨损机制为黏着磨损。     

CVI-RMI法制备C/SiC复合材料的微观结构与弯曲性能

以T700炭纤维准三维编织针刺整体毡为预制体,在炭纤维表面CVI预沉积热解炭涂层,利用化学气相渗透-反应熔体浸渗法(CVI-RMI)制备C/SiC复合材料,观察材料的微观形貌,并探讨界面对弯曲性能的影响。研究结果表明:利用CVI-RMI联合工艺制备的C/SiC复合材料致密度高,开孔率较小(10%),基体分布均匀;材料弯曲强度达133 MPa,呈逐层破坏机制,表现出良好的假塑性;热解炭涂层与CVI-SiC基体减少了RMI工艺过程对炭纤维的损伤,且热解炭涂层调节了炭纤维与基体之间的界面结合状况,有利于纤维的拔出。