轻金属（Mg、Al、Ti）表面碳基薄膜摩擦学性能及基体纳米化影响的研究

论文摘要

轻金属（Mg、Al、Ti）在航空航天、武器装备、生物医用等高端领域广为应用,但其摩擦系数较高、抗磨性能较差。本文以常规粗晶镁合金（AZ91D）、常规粗晶铝合金（2024）、纳米晶体铝合金（2024）、常规粗晶钛、常规粗晶钛合金（Ti-6Al-4V）以及纳米晶体钛为基材,采用磁控溅射技术制备出碳化硅（SiC）薄膜和SiC/碳基（Diamond like carbon-DLC、Carbon nitride-CNx）双层薄膜等,对其摩擦磨损性能进行研究（球盘模式,氮化硅球为对磨件）。首先,本文研究了粗晶镁合金、粗晶镁合金与表面薄膜（SiC、SiC/DLC、SiC/CNx）组成的系统在室温干摩擦环境下的摩擦磨损性能。结果表明:与镁合金相比,镁合金/SiC、镁合金/SiC/DLC、镁合金/SiC/CNx都具有明显较低的摩擦系数和较高的抗磨性能,其中镁合金/SiC/DLC和镁合金/SiC/CNx具有很好的抗磨性能。其次,本文研究了粗晶铝合金、纳米晶体铝合金及其与表面薄膜组成的系统在室温干摩擦下的摩擦磨损性能。结果表明:在低载荷下,粗晶铝合金/表面薄膜（SiC、SiC/DLC）、纳米晶体铝合金/Ti/SiC都分别比粗晶铝合金、纳米晶体铝合金具有较低的摩擦系数和较高的抗磨性能。再次,本文研究了粗晶钛、粗晶钛合金、纳米晶体钛及其与表面薄膜（SiC、SiC/DLC、SiC/CNx）组成的系统的摩擦磨损性能。结果表明:碳基薄膜显著提高了粗晶钛、粗晶钛合金、纳米晶体钛在室温模拟体液（Kokubo）环境下的摩擦磨损性能;基材纳米化明显提高了膜基系统在高载荷下的摩擦磨损性能（薄膜剥落倾向大幅度降低）;与干摩擦相比,模拟体液对摩擦磨损起到润滑作用。通过以上研究本文发现基材活性对膜基系统具有明显影响。镁合金基材/薄膜系统的摩擦学性能优于铝合金基材/薄膜系统的摩擦学性能,纳米晶体钛基材/薄膜系统的摩擦学性能优于粗晶钛基材/薄膜系统的摩擦学性能。其机理可能与基材活性增加导致基材诱导薄膜晶体化现象加速,而使薄膜的塑性韧性增加（非晶—晶体界面发生滑移）以及薄膜与基材间的弹性模量匹配得到改善等有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 轻金属材料及其表面改性技术
• 1.2.1 镁合金及其表面改性技术
• 1.2.2 铝合金及其表面改性技术
• 1.2.3 钛及其表面改性技术
• 1.3 SiC、DLC、CNx薄膜
• 1.3.1 SiC薄膜及其摩擦学性能
• 1.3.2 碳基薄膜（DLC、CNx）及其摩擦学性能
• 1.4 纳米晶体金属材料的制备技术
• 1.4.1 纳米晶体金属材料的制备技术
• 1.4.2 强烈塑性变形法
• 1.5 本文的研究的意义
• 1.6 本文的研究内容和目的
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究目标
• 第二章 试验方法
• 2.1 薄膜的制备
• 2.1.1 磁控溅射
• 2.1.2 碳基薄膜的制备
• 2.2 界面结合力的测试
• 2.3 摩擦磨损试验
• 2.4 模拟体液的配制
• 2.4.1 清洗
• 2.4.2.化学溶解
• 2.4.3 pH值的调节
• 2.4.4 检验稳定性
• 2.5 扫描电子显微分析与成分能谱分析
• 第三章 粗晶镁合金（AZ91D）表面磁控溅射碳基薄膜的摩擦磨损性能
• 3.1 AZ91D的摩擦磨损性能
• 3.2 AZ91D/SiC的摩擦磨损性能
• 3.3 AZ91D/SiC/DLC的摩擦磨损性能
• 3.4 AZ91D/SiC/CNx的摩擦磨损性能
• 3.5 磨痕宽度的比较
• 3.6 结论
• 第四章 粗晶和纳米晶体2024铝合金表面沉积碳基薄膜的摩擦磨损性能
• 4.1 2024Al/SiC、2024Al/SiC/DLC的摩擦磨损性能
• 4.2 纳米晶体2024 Al的摩擦磨损性能
• 4.2.1 纳米晶体2024 Al的电子透射微观图
• 4.2.2 纳米晶体2024 Al的摩擦磨损性能
• 4.3 纳米晶体2024 Al/Ti/SiC的摩擦磨损性能
• 4.4 结论
• 第五章 粗晶钛、钛合金（Ti-6AI-4V）表面磁控溅射碳基薄膜在模拟体液下的摩擦磨损性能
• 5.1 钛及表面薄膜的摩擦磨损性能
• 5.1.1 钛基材的摩擦磨损性能
• 5.1.2 Ti/SiC的摩擦磨损性能
• 5.1.3 Ti/SiC/DLC、Ti/SiC/CNx的摩擦磨损性能
• 5.2 钛合金（Ti-6Al-4V）及表面薄膜的摩擦磨损性能
• 5.2.1 钛合金（Ti-6Al-4V）基材的摩擦磨损性能
• 5.2.2 Ti-6Al-4V/SiC的摩擦磨损性能
• 5.2.3 Ti-6Al-4V/SiC/DLC的摩擦磨损性能
• 5.3 结论
• 第六章 纳米晶体钛表面磁控溅射碳基薄膜的摩擦磨损性能
• 6.1 纳米晶体钛的微观结构与摩擦磨损性能
• 6.1.1 纳米晶体钛的透射微观图
• 6.1.2 纳米晶体钛的摩擦系数随摩擦磨损时间变化的曲线
• 6.1.3 纳米晶体钛摩擦磨损前后表面观察分析
• 6.1.4 纳米晶体钛磨损表面元素组成能谱分析
• 6.2 纳米晶体Ti/SiC的摩擦磨损性能
• 6.2.1 纳米晶体Ti/SiC的X射线衍射分析
• 6.2.2 纳米晶体Ti/SiC的界面结合
• 6.2.3 纳米晶体Ti/SiC摩擦系数随摩擦磨损时间变化的曲线
• 6.2.4 纳米晶体Ti/SiC摩擦磨损前后表面观察分析
• 6.2.5 纳米晶体Ti/SiC磨损表面元素组成能谱分析分析结果
• 6.3 纳米晶体Ti/SiC/DLC的摩擦磨损性能
• 6.3.1 纳米晶体Ti/SiC/DLC的界面结合力
• 6.3.2 纳米晶体Ti/SiC/DLC摩擦系数随摩擦磨损时间变化的曲线
• 6.3.3 纳米晶体Ti/SiC/DLC摩擦磨损前后表面观察分析
• 6.4 纳米晶体Ti/SiC/CNx的摩擦磨损性能
• 6.4.1 纳米晶体Ti/SiC/CNx的界面结合力
• 6.4.2 纳米晶体Ti/SiC/CNx的摩擦系数随摩擦磨损时间变化的曲线
• 6.4.3 纳米晶体Ti/SiC/CNx摩擦磨损表面观察分析
• 6.4.4 纳米晶体Ti/SiC/CNx磨痕宽度
• 6.5 磨痕宽度的比较
• 6.6 结论
• 第七章 基材纳米晶化对摩擦学性能的影响
• 7.1 粗晶Ti/SiC/DLC、Ti-6Al-4V/SiC/DLC、纳米晶体Ti/SiC/DLC的摩擦学性能
• 7.2 粗晶Ti/SiC/CNx与纳米晶体Ti/SiC/CNx的摩擦学性能
• 7.3 结论
• 全文研究工作总结
• 本研究的特色与创新点
• 需要进一步研究的工作
• 致谢
• 硕士学位期间发表的学术论文（成果）
• 参考文献