钛合金表面类金刚石薄膜在模拟海水中的摩擦腐蚀性能研究

摘要

本文以TC4钛合金为研究对象，首先，研究了TC4钛合金在模拟海水中电化学腐蚀与机械磨损间的交互作用，考察了不同电化学状态对TC4钛合金腐蚀磨损行为的影响。其次，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在TC4钛合金表面制备了Si-DLC薄膜，通过SEM、XPS、Raman、纳米压痕和划痕表征方法，研究了掺Si含量对DLC薄膜结构、成分和机械性能的影响。通过摩擦实验、电化学测试和摩擦腐蚀交互实验测试方法，研究了Si-DLC薄膜在模拟海水中的摩擦和腐蚀性能。最终，采用PECVD技术在TC4钛合金表面制备不同厚度多层(Six-DLC/Siy-DLC)n薄膜（x，y表示Si含量，n表示周期），研究了厚度对薄膜的结构、成分、机械性能、摩擦腐蚀性能影响，重点研究了34μm(Six-DLC/Siy-DLC)60薄膜在不同电化学状态下的摩擦腐蚀交互作用。主要结论如下：　　（1）针对TC4钛合金在模拟海水中电化学腐蚀与机械磨损间的交互作用研究表明：TC4钛合金的自腐蚀电位为-0.40V，在摩擦腐蚀过程中，TC4钛合金的自腐蚀电位发生负偏移（-0.65V），腐蚀电流随着外加电位升高而增大，OCP电位时TC4钛合金获得最低摩擦系数；TC4钛合金总体积损失随着外加电位的增加而增大，即腐蚀磨损交的交互作用随着外加电位的增加而增强。当外加电位从-0.5V增大至0.8V时，腐蚀磨损交互作用导致的材料损失占总材料损失的比例由12%增加至66%，其中腐蚀诱导磨损导致的损失量占比由7%增加至44%。OCP及其以下外加电位条件下TC4钛合金的磨损机制为磨粒磨损，0V外加电位下TC4钛合金磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损，0.8V外加电位下钛合金磨损机制为磨粒磨损和摩擦诱导的腐蚀磨损。　　（2）针对钛合金表面Si-DLC薄膜的研究表明：随着掺Si含量的增加，Si-DLC薄膜中sp3含量增加，硬度先增加后减小，当掺Si含量为11.3at.%时，Si-DLC薄膜的硬度有最大值（12.6GP）；Si-DLC薄膜的开路电位随Si含量的增加而增大，自腐蚀电位增加、腐蚀电流和薄膜空隙率减小，Si含量为14.8at.%时薄膜表现为最好的耐腐蚀和耐摩擦腐蚀行为，Si-DLC薄膜的摩擦系数随Si含量的增加逐渐减小，磨损率先减小后增加，Si含量为11.3at.%薄膜的磨损率低至6.48×10-7mm3/N?m，即薄膜的磨损率除与自身的耐摩擦腐蚀性能相关外还与机械性能有关。　　（3）针对钛合金表面不同厚度多层(Six-DLC/Siy-DLC)n薄膜的研究表明：随着厚度的增加，多层(Six-DLC/Siy-DLC)n薄膜的硬度和弹性模量、临界载荷、残余应力均表现为增加。同时，薄膜的开路电位增加、自腐蚀电位升高以及腐蚀电流减小，原因是由于多层界面设计减少了薄膜中缺陷的数量。随着载荷的增加，多层(Six-DLC/Siy-DLC)n薄膜的磨损率增加，34μm(Six-DLC/Siy-DLC)60薄膜具有较高的承载能力，载荷30N、转速200r/min条件下磨损率仅为6.93×10-6mm3/N?m。摩擦腐蚀交互定量研究显示，34μm（60周期）薄膜的磨损体积随着电位的升高而增大，在-1V、OCP、0V外加电位条件下，薄膜的体积损失以纯机械磨损为主，在0.5V外加电位条件下，体积损失以纯机械磨损和腐蚀诱导磨损为主。

目录

声明

1 绪 论

1.1 钛合金概述

1.2 钛合金表面防护技术

1.3 类金刚石薄膜摩擦腐蚀研究进展

1.3.1 DLC薄膜基本概述

1.3.2 DLC薄膜在不同介质环境中的摩擦和腐蚀行为

1.4 钛合金表面DLC薄膜在不同介质环境中的摩擦和腐蚀行为

1.5 研究目的和研究内容

1.5.1 选题依据

1.5.2 研究内容

1.5.3 技术路线

2 实验材料及方法

2.1 基体材料的制备

2.2 DLC薄膜的制备

2.2.1 Si-DLC薄膜的制备

2.2.2 多层 (Six-DLC/Siy-DLC)n薄膜的制备

2.3 结构与机械性能

2.3.1 结构及形貌分析

2.3.2 DLC薄膜的成分分析

2.3.3 DLC薄膜的机械性能

2.4 摩擦腐蚀实验

2.4.1 基体材料腐蚀磨损实验

2.4.2 Si-DLC薄膜摩擦腐蚀实验

2.4.3 多层 (Six-DLC/Siy-DLC)n薄膜摩擦腐蚀实验

2.4.5 磨损体积和磨损率

2.4.4 腐蚀磨损各分量的计算

3 钛合金表面DLC薄膜在模拟海水中的摩擦腐蚀性能研究

3.1.1 引 言

3.1.2 结果和讨论

3.1.3 小 结

3.2 钛合金表面Si-DLC薄膜在模拟海水中的摩擦腐蚀行为

3.2.1 引 言

3.2.2 结果与讨论

3.2.3 小 结

3.3 钛合金表面不同厚度多层 (Six-DLC/Siy-DLC)n薄膜在模拟海水中的摩擦腐蚀行为

3.3.1 引 言

3.3.2 结果与讨论

3.3.3 小 结

4 总结与展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果