钛金属表面MAO/DLC复合膜层的设计制备及摩擦学行为研究

摘要

钛金属广泛应用于航空、舰船等领域，但其表面硬度低，摩擦学性能差，这限制了其在机械传动领域的应用。为了改善钛金属表面摩擦学性能，本文采用交/直流微弧氧化(MAO)和物理气相沉积技术在钛金属表面设计制备了交/直流MAO膜层和微弧氧化/类金刚石碳(MAO/DLC)复合膜层，研究交流MAO电参数对膜层生长行为的影响规律，以及交流和直流MAO/DLC复合膜层的微观结构与摩擦学性能。　　结果表明，交流和直流MAO膜层均为表面多微孔，内层致密，外层疏松的结构。在NaAlO2+NaOH电解液体系下，随着脉冲电压和占空比的增大，交流MAO膜层的厚度、表面粗糙度和微孔孔径均呈增大趋势。随着脉冲频率的增大，交流MAO膜层的表面粗糙度和微孔孔径增大，但膜层厚度呈先增后减的趋势。　　通过在交/直流MAO膜层表面沉积DLC来改善MAO膜层的微观结构。结果表明，DLC沉积减小了交/直流MAO膜层的表面微孔尺寸，降低了膜层表面粗糙度和孔隙率，获得表面更为致密、平整的MAO/DLC复合膜层。但DLC沉积对不同表面形貌MAO膜层的改善效果有所不同。当MAO膜层表面较平整且微孔孔径较小时， DLC可以在MAO膜层表面形成较好的覆盖层，但在表面粗糙度较高和微孔孔径较大的MAO膜层表面则呈现明显的不连续分布。　　不同表面形貌的交流MAO膜层摩擦学性能差异较大。结果表明，MAO膜层的表面粗糙度越高，微孔孔径越大，则膜层的摩擦系数和磨损率越高。DLC 沉积显著改善了交流MAO膜层的摩擦学性能，但改善效果取决于MAO膜层的表面形貌。当MAO膜层的表面粗糙度和微孔孔径较小时，沉积DLC可使其稳定摩擦磨损阶段的摩擦系数由0.85降低至0.24，磨损率降低71%。而当膜层的表面粗糙度和微孔孔径较大时，摩擦系数由0.77~0.97降低至0.67，磨损率仅降低约9%。　　研究了直流MAO/DLC复合膜层的微观结构与摩擦学性能。结果表明，DLC沉积显著降低了直流MAO膜层的表面粗糙度和孔隙率。在1N载荷下，直流MAO/DLC复合膜层的稳定摩擦系数约为 0.15，磨损率近似于零磨损。在 10N 载荷下，直流MAO/DLC复合膜层的摩擦系数约为0.18，磨损寿命明显高于DLC膜层。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 钛金属表面摩擦防护技术研究现状

1.3 微弧氧化技术简介

1.3.1 微弧氧化技术的基本原理

1.3.2 微弧氧化技术及膜层特点

1.3.3 微弧氧化膜层的制备方法

1.3.4 微弧氧化制备膜层的影响因素

1.4 微弧氧化技术在钛金属摩擦防护中的应用现状

1.4.1 减摩组分复合

1.4.2 耐磨组分复合

1.5 类金刚石碳薄膜材料

1.5.1 类金刚石碳薄膜的定义和性能

1.5.2 类金刚石碳薄膜的制备方法

1.5.3 类金刚石碳薄膜的摩擦学性能的影响因素

1.5.4 类金刚石碳薄膜在钛金属摩擦防护中的应用现状

1.6 钛金属表面复合处理技术

1.7 本文研究目的和内容

1.7.1 研究目的

1.7.2 研究内容

第2章 实验内容与测试方法

2.1 实验材料及药品

2.2 实验设备

2.2.1 微弧氧化设备

2.2.2 类金刚石碳薄膜沉积设备

2.3 微弧氧化膜层和MAO/DLC复合膜层制备工艺

2.3.1 微弧氧化膜层制备工艺

2.3.2 MAO/DLC复合膜层制备工艺

2.4 膜层性能检测设备及表征方法

2.4.1 膜层表面形貌和厚度表征

2.4.2 膜层XRD分析

2.4.3 膜层Raman光谱分析

2.4.4 膜层表面粗糙度测量

2.4.5 膜层摩擦学性能测试

第3章 交流微弧氧化电参数对膜层生长行为的影响

3.1 脉冲电压对交流MAO膜层生长行为的影响

3.1.1 交流MAO膜层表面形貌分析

3.1.2 交流MAO膜层截面形貌与厚度分析

3.1.3 交流MAO膜层XRD分析

3.2 脉冲频率对交流MAO膜层生长行为的影响

3.2.1 交流MAO膜层表面形貌分析

3.2.2 交流MAO膜层截面形貌与厚度分析

3.3 脉冲占空比对交流MAO膜层生长行为的影响

3.3.1 交流MAO膜层表面形貌分析

3.3.2 交流MAO膜层截面形貌与厚度分析

3.4 本章小结

第4章 沉积DLC对交流MAO膜层摩擦学行为的影响

4.1 不同表面形貌的交流MAO膜层制备

4.1.1 交流MAO膜层表面形貌分析

4.1.2 交流MAO膜层截面形貌分析

4.1.3 交流MAO膜层XRD分析

4.2 沉积DLC对交流MAO膜层表面形貌的影响

4.2.1 交流MAO/DLC膜层表面形貌分析

4.2.2 交流MAO/DLC复合膜层表面EDS分析

4.2.3 交流MAO/DLC复合膜层的截面形貌分析

4.2.4 交流MAO/DLC复合膜层截面EDS分析

4.3 不同表面形貌的交流MAO膜层摩擦学行为评价

4.3.1 不同表面形貌的交流MAO膜层摩擦系数

4.3.2 不同表面形貌的交流MAO膜层磨损机制

4.3.3 不同表面形貌的交流MAO膜层的磨损率

4.4 沉积DLC对不同表面形貌的交流MAO膜层摩擦学行为的影响

4.4.1 沉积DLC对不同表面形貌的交流MAO膜层摩擦系数的影响

4.4.2 沉积DLC对不同表面形貌的交流MAO膜层磨损机制的影响

4.4.3 沉积DLC对不同表面形貌的交流MAO膜层磨损率的影响

4.5 本章小结

第5章 沉积DLC对直流MAO膜层摩擦学行为的影响

5.1 沉积DLC对直流MAO膜层表面形貌的影响

5.2 沉积DLC对直流MAO膜层截面形貌的影响

5.3 沉积DLC前后的直流MAO膜层XRD分析

5.4 沉积DLC制备的直流MAO/DLC复合膜层Raman光谱分析

5.5 沉积DLC对直流MAO膜层摩擦学性能的影响

5.5.1 沉积DLC对直流MAO膜层在低载荷下摩擦系数的影响

5.5.2 沉积DLC对直流MAO膜层在高载荷下摩擦系数的影响

5.5.3 沉积DLC对直流MAO膜层磨损机制的影响

5.5.4 沉积DLC对直流MAO膜层磨损率的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢