| 题名 | 钛合金表面自润滑复合结构的制备及微动摩擦学性能研究 |
| 作者 | 马震 |
| 答辩日期 | 2022-05-20 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 胡天昌 ; 张建晓 |
| 关键词 | 钛合金 表面织构 热氧化层 摩擦学性能 |
| 学位名称 | 工程硕士 |
| 其他题名 | 无 |
| 学位专业 | 材料工程 |
| 英文摘要 | 作为一种具有优异性能的轻金属材料，钛合金被广泛应用于航空航天等领域。当其作为结构部件时，其接触面常因微动磨损而引起疲劳损伤，导致材料的断裂失效，这极大地限制了钛合金在摩擦学领域的进一步应用。目前，单一地表面改性方式已难以满足钛合金在微动等苛刻工况条件下对其磨损寿命的要求。这就需要在钛合金表面制备一种复合结构，该结构既具有抗磨损的特性，又兼具自润滑以及自补偿的作用，从而改善钛合金部件在不同工况下的微动磨损性能，延长磨损寿命。基于此，本论文拟采用表面织构技术、热氧化技术以及粘结固体润滑涂层技术，通过紫外微加工技术在钛合金表面优化设计多种织构化图案，随后在空气介质中进行表面热氧化，在此基础上引入高硬度的热氧化层，最后采用喷涂技术沉积粘结固体润滑涂层，提出一种复合润滑结构的制备方法。同时考察了织构参数对其摩擦性能的影响规律，提出了适宜的织构参数以及三种结构的协同减摩抗磨机理。本论文得出的结论如下： 1. 将表面织构、热氧化层与PTFE润滑薄膜相复合制备了自润滑复合耐磨结构，同时考察了这一复合结构的摩擦磨损性能，并深入探究了钛合金表面织构参数对复合润滑结构摩擦行为的影响，以及引入热氧化层后的协同减摩抗磨机制。结果表明：与未织构面的润滑薄膜相比，表面织构与润滑薄膜的结合显著增强了材料的减摩抗磨性能。织构的形貌对其摩擦性能有显著影响，在相同的织构间距条件下，线形织构表面较圆形织构表面显示出低而稳定的摩擦系数与极低的磨损量。在最优的织构密度下，含有薄膜的织构化钛合金表面的磨损率可降低至1.5× 10-6 mm3•N-1m-1，较未织构面润滑薄膜的磨损率降低了99.3 %。而将经热氧化的织构化表面与润滑薄膜的结合则进一步提升了织构化表面的耐磨损性能。与单纯的热氧化面和织构面相比，钛合金表面复合耐磨结构的磨损率可分别降低96.7 %与46.0 %。这主要是由于高密度的微织构化结构对固体润滑剂的有效补充以及高硬度热氧化层的耐磨性起到了协同减摩抗磨的作用。 2. 在以上工作基础上，将经过参数优化的表面织构形貌、热氧化层和PTFE粘结润滑涂层相结合，在钛合金表面制备了复合润滑结构。在50 N载荷下考察了表面织构的结构参数和热氧化层对复合润滑结构的抗微动磨损性能的影响。结果表明：与单一的未织构化表面和热氧化表面的润滑涂层相比，织构化表面的PTFE润滑涂层显示出良好的减摩和抗微动磨损性能。对线形织构来说，织构宽度固定时，织构间距越小（密度越大），越有利于提升材料表面的抗微动磨损性能。当织构的间距固定时，织构的宽度越小，其抗微动磨损性能越好，参 数优化的织构面的摩擦系数与磨损量较未织构面可分别减小71.1 %和84.9 %。在织构化表面引入热氧化层进一步提高了润滑涂层的微动磨损寿命，在干接触摩擦条件下，摩擦系数可低至0.24，磨损率可低至2.3× 10-5 mm3•N-1m-1，与织构化表面相比，复合润滑结构的微动磨损寿命可提高3.6倍以上。 3. 以水为分散介质、二硫化钨为固体润滑剂、二氧化锆为增强相、磷酸二氢铝为粘结剂，采用喷涂工艺在钛合金表面制备了二硫化钨磷酸盐涂层。考察了涂层在室温~400 ˚C范围内的摩擦磨损性能，并探究了涂层与热氧化层以及表面微织构在微动磨损条件下的协同减摩抗磨机制。结果表明：钛合金表面所制备的二硫化钨磷酸盐涂层在宽温域条件下的摩擦系数可低至0.20以内，然而却表现出较低的磨损寿命。通过无机涂层与织构化热氧化面的结合，显著改善了其抗微动磨损性能。在室温以及400 ˚C条件下，这一复合润滑结构的微动磨损率可分别低至1.2×10-5 mm3•N-1m-1和5.1×10-6 mm3•N-1m-1。与光滑表面和单一的织构化表面涂层相比，400 ˚C下复合润滑结构的磨损率可分别降低94.3 %与37.8 %。同时提出了高温条件下二硫化钨涂层的润滑机理，以及表面微织构、热氧化层与固体润滑涂层间的“机械互锁”与“自补偿润滑”的减摩抗磨机制。 |
| 页码 | 116 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/30064]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 马震. 钛合金表面自润滑复合结构的制备及微动摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2022. |
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