固體潤滑涂層的損傷裂紋演變及其摩擦學(xué)特性研究.pdf

1、先進(jìn)表面工程技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為先進(jìn)制造技術(shù)的前沿技術(shù)和趕超國際先進(jìn)水平的重要前沿陣地。表面工程的發(fā)展極大的促進(jìn)了固體潤滑涂層的進(jìn)步，在摩擦副表面生成具有優(yōu)良減摩和耐磨性能的固體潤滑涂層，配對成新的接觸副，實(shí)現(xiàn)延長摩擦副使用壽命、提高機(jī)械效率以及節(jié)約材料的目的。目前，固體潤滑涂層已在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)等，獲得了廣泛的應(yīng)用并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效應(yīng)。
　　受涂層和基體材料結(jié)構(gòu)不匹配以及制

2、備工藝影響而產(chǎn)生的較大薄膜涂層殘余應(yīng)力可能是涂層裂紋和界面分層損傷的催化劑，該問題的理論研究亟待加強(qiáng)，這對固體潤滑涂層的制備具有重要的指導(dǎo)意義。而且，表征評定涂層-基體界面分層以及涂層自身裂紋問題已經(jīng)成為固體潤滑涂層耐用性和可靠性設(shè)計(jì)的障礙，迫切需要開展涂層失效的基礎(chǔ)理論研究，并對涂層的失效預(yù)測和評價(jià)具有顯著的意義。此外，研究固體潤滑涂層潤滑狀態(tài)下的摩擦學(xué)特性，并從理論上通過合理的涂層參數(shù)和潤滑設(shè)計(jì)，避免涂層-基體系統(tǒng)失效的產(chǎn)生，有效地

3、提高摩擦副承載能力和使用壽命，對于開拓涂層摩擦學(xué)應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　本文針對上述固體潤滑涂層-基體系統(tǒng)的界面分層損傷和涂層裂紋演變及其摩擦學(xué)特性的科學(xué)問題，以物理氣相沉積涂層和鋼基體系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)性的開展了研究工作，其主要工作和成果總結(jié)如下：
　　①針對涂層在殘余應(yīng)力下可能會出現(xiàn)的界面分層和涂層裂紋的問題，建立了考慮粗糙度的涂層-基體系統(tǒng)殘余應(yīng)力模型，通過擴(kuò)展有限元技術(shù)、J積分法以及內(nèi)聚力法相結(jié)

4、合的手段從理論上研究了涂層在殘余應(yīng)力下界面分層損傷以及涂層裂紋的演變。表明粗糙面對涂層殘余應(yīng)力以及基體塑性行為均有較大影響；相比于界面法向應(yīng)力，分層失效對界面切應(yīng)力變化更為敏感；而多裂紋時(shí)的兩近置的裂紋尖端更容易擴(kuò)展并最終融合；并且，從力學(xué)角度證明沉積一層熱膨脹系數(shù)適中的中間層可以更好的保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。
　　②圍繞涂層-基體界面分層以及涂層自身裂紋的如何評價(jià)的問題，通過納米壓痕方法對系統(tǒng)失效情況進(jìn)行表征，建立了包含內(nèi)聚力單元的涂層-

5、基體系統(tǒng)壓痕的有限元模型，考察了內(nèi)聚力屬性、涂層彈性模量以及厚度對涂層裂紋和界面分層的影響，同時(shí)揭示了涂層裂紋和界面分層兩者的相互影響規(guī)律。表明增加涂層的內(nèi)聚力/能雖可有效地防止其裂紋的產(chǎn)生，但同時(shí)也增大了界面分層失效的可能性；當(dāng)界面內(nèi)聚力處于某臨界值時(shí)，界面耐分層能力最??；然而，涂層裂紋對于界面的內(nèi)聚力屬性變化并不敏感；而彈性模量越小的涂層系統(tǒng)越易免受這些傷害；涂層厚度在影響其裂紋和界面分層臨界載荷方面也存在某一臨界值。
　?、?/p>

6、利用復(fù)合離子鍍膜技術(shù)在滲碳鋼基體表面沉積類金剛石（DLC）涂層。使用納米壓痕法對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)時(shí)獲得壓頭的載荷-位移曲線。曲線中存在若干跳躍點(diǎn)，意味著系統(tǒng)內(nèi)部裂紋或界面分層失效的產(chǎn)生。壓痕實(shí)驗(yàn)完成后，通過掃描電子顯微鏡和聚焦離子束系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)，DLC涂層壓痕處出現(xiàn)了規(guī)則的貫穿厚度的環(huán)形裂紋以及界面分層現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬仿真結(jié)果的正確性。最后，通過壓痕結(jié)果估算了涂層斷裂韌度和界面結(jié)合能。
　?、芙⒘送繉?基體系統(tǒng)微觀彈

7、流潤滑模型，基于Full-system有限元法，研究了涂層的彈流摩擦特性，評價(jià)了涂層厚度、涂層彈性模量、工況條件、界面微波谷、表面和界面粗糙度以及多層涂層對系統(tǒng)應(yīng)力響應(yīng)的影響，預(yù)測了重載下系統(tǒng)可能失效的位置。表明涂層厚度、彈性模量和工況變化會對其彈流特性產(chǎn)生重大的影響；同硬涂層相比，軟涂層的彈流響應(yīng)對速度和載荷的變化更為敏感；用力學(xué)的方式解釋微裂紋一般萌生于界面微波谷處；且油膜壓力以及界面剪應(yīng)力在較軟和較厚涂層上受表面粗糙度影響更小；同

8、時(shí)粗糙界面的剪應(yīng)力很大程度取決于涂層和基體的匹配度；而功能梯度多層涂層系統(tǒng)可有效預(yù)防界面分層以及亞表面點(diǎn)蝕失效。
　?、萃ㄟ^四球?qū)嶒?yàn)對比研究了TiN、WC/C和DLC三種固體潤滑涂層的摩擦磨損性能，揭示了它們重載潤滑狀態(tài)下的摩擦學(xué)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)跑合穩(wěn)定后的TiN涂層的摩擦系數(shù)最大，而DLC的最??；TiN涂層磨損失效方式為氧化剝落、WC/C為氧化點(diǎn)蝕，而DLC會在磨痕附近形成轉(zhuǎn)移膜；則WC/C和DLC涂層表現(xiàn)出較好的減摩耐磨以及跑合特性