CrCN基薄膜结构及在不同环境中的摩擦学特性研究

论文摘要

本文以TC4钛合金片和单晶Si（100）片为基材,采用闭式非平衡磁控溅射系统在其表面沉积了具有不同Mo含量的CrMoCN薄膜,同时以316L不锈钢片和单晶Si（100）片为基材在其表面制备了CrSiCN,CrBCN和CrSiBCN三种CrCN基薄膜。分别采用X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对所有薄膜的晶体相结构和表面原子间化学键结构进行表征。同时利用扫描电子显微镜（SEM）对薄膜表面及截面的形貌观察拍摄。其中薄膜的硬度和弹性模量等力学性能是通过带有金刚石压头的纳米压痕仪测量。此外,薄膜与基材之间的粘附结合力是由声发射式划痕仪测试得出。薄膜在空气和海水环境下的摩擦学性能是采用球对盘式的摩擦磨损试验机进行测试分析,在摩擦实验结束后,使用金相光学显微镜拍摄薄膜磨痕和球磨痕,利用非接触式白光干涉三维形貌仪对薄膜磨痕的截面曲线进行观察分析。为阐明薄膜在空气和海水润滑不同环境下的磨损机理,使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）进一步对薄膜磨痕观察分析。CrMoCN薄膜在海水环境中的耐腐蚀性能是通过标准三电极的电化学工作站（CHI660E）测试分析,实验测试指标包括开路电压（OCP）、交流阻抗谱（EIS）和动电位极化曲线。1)采用磁控溅射技术,以改变Mo靶的溅射电流（0.5 A3.0 A）制备了含有不同Mo含量（1.4%9.8%）的CrMoCN薄膜,在对结构表征后发现薄膜中Cr,Mo和N元素主要以（Cr,Mo）N固溶体晶体形式存在,而C元素主要以软质非晶形a-C（a-CNx）存在。当薄膜中Mo含量增多时,表面形态变得更加紧密。在测试薄膜的力学性能后发现,硬度和弹性模量的数值均呈现先增大后减小的趋势。有6.4%Mo含量的CrMoCN4薄膜表现出了最高的硬度和弹性模量,分别为26.8GPa和327.8 GPa;以及最高的（H/E）和（H3/E2）,分别为0.082和0.179。在空气中,CrMoCN薄膜与Al2O3球对磨后发现有最高Mo含量为9.8%的CrMoCN6薄膜显示出了最低的摩擦系数和最低的磨损率,数值分别为0.46和1.33×10-7mm3/（N·m）。这主要是因为CrMoCN薄膜易与空气中的水分发生摩擦化学反应生成具有低剪切强度同时起润滑作用的层状MoO3。Mo含量的增加则会更加促进MoO3摩擦润滑层的形成。2)在海水环境中,由CrMoCN薄膜与SiC球对磨后发现,随着Mo含量的增加,CrMoCN薄膜的摩擦系数和磨损率整体呈降低的趋势,由Mo含量最高的CrMoCN6薄膜表现出最为优异的摩擦学性能,同时SiC球的磨损率也在减小。这主要是因为CrMoCN薄膜在海水润滑过程中会与水发生摩擦化学反应而生成可改善润滑效果的MoO3。同时由于SiC材料在水环境中存在水合反应会生成具有一定润滑作用的胶状SiO2·2H2O。在对磨时,由于两种摩擦层共同起到的润滑减磨作用,使两者的磨损程度均有所降低。根据对磨痕观察和磨痕内存在元素的分析后得出,CrMoCN/SiC对磨副的磨损机理为磨粒（机械）磨损并同时伴有摩擦化学磨损。在海水环境中,用Al2O3球与CrMoCN薄膜对磨后发现,CrMoCN薄膜的摩擦系数和Al2O3球的磨损率整体上均随着薄膜中Mo含量的升高而降低,但同时CrMoCN薄膜自身的磨损率却在升高。这主要是因为在水润滑条件下形成的MoO3润滑薄层有效降低了摩擦系数,并在对Al2O3对磨球形成保护作用的同时,由于薄膜带有的润滑效应加强了对自身材料的损耗,因而薄膜的磨损率会升高。根据对磨痕观察和磨痕内存在元素的分析后得出,CrMoCN/Al2O3对磨副的磨损机理为磨粒（机械）磨损和摩擦化学磨损。在使用标准三电极的电化学工作站对CrMoCN薄膜测试后发现有着Mo含量为2.9%的CrMoCN2薄膜表现出了最低的腐蚀电流密度值为4.675×10-8A/cm2和最高的极化电阻值为8.67×105Ω?cm2。该数据表明CrMoCN薄膜的耐腐蚀性将受Mo含量的影响。由于在一定Mo含量范围内,CrMoCN薄膜表面的致密度提高,细小的柱状孔隙等缺陷减少将可有效抑制海水中的腐蚀介质渗入接触到基底,进而提升薄膜材料的抗腐蚀性。3)利用闭式非平衡磁控溅射系统制备了三种CrCN基薄膜,分别为CrSiCN薄膜、CrBCN薄膜和CrSiBCN薄膜。在对结构表征后发现薄膜中Cr元素主要以CrN（200）和Cr（210）晶体形式存在,并在薄膜中同时有少量的CrN（111）（220）和Cr（200）（310）晶体。其中Si、B和C元素主要以非晶形a-SiNx、Si-C-N、a-BNx和a-C（a-CNx）存在。在对三种薄膜的力学性能测试后发现,CrSiBCN薄膜具有最高的硬度为27.1 GPa。同时具有最高的（H/E）与（H3/E2）,数值分别为0.097和0.255。当三种薄膜在海水中分别与WC+6%Co,ZrO2和Si3N4材料对磨时,CrSiBCN薄膜均显示出最低的摩擦系数,数值分别为0.27,0.40和0.29。这表明在海水中,由CrSiBCN薄膜的水合反应形成胶状SiO2·2H2O和层状H3BO3所具有的协同润滑效果将对薄膜的摩擦学性能提升最为有利。此外,发现当三种薄膜在海水中与YG6球对磨后,CrSiCN薄膜磨损率最高,这是由于对磨副之间更大的摩擦系数所造成。当三种薄膜与ZrO2球对磨后,CrBCN薄膜和CrSiBCN薄膜磨损率较高。这可归因于在海水润滑条件下,由于薄膜自身的水合反应形成的具有层状结构的H3BO3润滑层虽然有效降低了摩擦系数,但加强了薄膜自身材料的损耗,因此含有B元素的CrBCN和CrSiBCN薄膜磨损率较高。当三种薄膜与Si3N4球对磨后,CrBCN薄膜和CrSiBCN薄膜磨损率较低,这可归因于它们有着更加优异的力学性能,包括高硬度和更高的（H/E）与（H3/E2）值。根据对磨痕观察和磨痕内存在元素的分析后得出,三种薄膜与不同对磨材料摩擦时的磨损机理包括磨粒（机械）磨损和摩擦化学磨损。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 含Mo元素的多元薄膜结构及摩擦学特性研究进展
•     1.2.1 Mo-N薄膜结构,力学及摩擦学性能分析
•     1.2.2 Cr-Mo-N薄膜结构,力学及摩擦学性能分析
•     1.2.3 Mo-Si-N薄膜结构,力学及摩擦学性能分析
•     1.2.4 Mo-C-N薄膜结构,力学及摩擦学性能分析
•     1.2.5 Cr-Mo-Si-N薄膜结构及力学性能分析
•     1.2.6 Mo-Si-C-N薄膜结构,力学及摩擦学性能分析
•   1.3 Mo元素对薄膜生长形貌和摩擦与电化学性能的影响
•   1.4 Si,B 元素对薄膜形貌、力学性能和摩擦与电化学性能的影响
•   1.5 本论文研究的主要目的和内容
•     1.5.1 本论文研究的主要目的
•     1.5.2 本论文研究的主要内容
• 第二章 实验方法
•   2.1 实验方案
•   2.2 薄膜的制备方法与工艺
•     2.2.1 基材的准备
•     2.2.2 磁控溅射镀膜设备的介绍
•     2.2.3 CrMoCN薄膜的制备
•     2.2.4 Cr（Si）（B）CN薄膜的制备
•   2.3 薄膜结构的表征与分析
•     2.3.1 薄膜的晶体相结构表征
•     2.3.2 薄膜元素的化学键结构分析
•     2.3.3 薄膜表面形貌和截面形貌的SEM分析
•   2.4 薄膜的力学性能及水接触角测试
•     2.4.1 薄膜的硬度和弹性模量测试
•     2.4.2 薄膜的划痕仪粘附力测试
•     2.4.3 薄膜的水接触角测试
•   2.5 薄膜的摩擦学与电化学性能测试分析
•     2.5.1 实验对磨球的具体参数
•     2.5.2 人工海水的配制方法
•     2.5.3 薄膜的摩擦学性能测试分析
•     2.5.4 薄膜的电化学性能测试分析
•   2.6 本章小结
• 第三章 CrMoCN薄膜的结构、力学性能及在空气环境中的摩擦学性能
•   3.1 引言
•   3.2 含有不同Mo含量的CrMoCN薄膜的元素成分
•   3.3 CrMoCN薄膜的结构分析
•     3.3.1 不同Mo含量的CrMoCN薄膜的XRD相结构分析
•     3.3.2 不同Mo含量的CrMoCN薄膜元素的XPS化学键结构分析
•   3.4 Mo含量对CrMoCN薄膜表面和截面形貌的影响
•     3.4.1 CrMoCN薄膜的表面形貌SEM照片
•     3.4.2 CrMoCN薄膜的截面形貌SEM照片
•   3.5 不同Mo含量的CrMoCN薄膜的力学性能分析
•   3.6 Mo含量对CrMoCN薄膜在空气环境中的摩擦学特性的影响
•   3.7 CrMoCN薄膜在空气环境中的磨损机理分析
•   3.8 本章小结
• 第四章 CrMoCN薄膜在海水环境中的摩擦学和耐腐蚀性能
•   4.1 引言
•   4.2 Mo含量对CrMoCN薄膜在海水环境中的摩擦学性能的影响
•     4.2.1 不同Mo含量的CrMoCN/SiC对磨副在海水环境中的摩擦学测试分析
•     4.2.2 CrMoCN薄膜与SiC材料在海水中对磨的磨损机理分析
•     4.2.3 不同Mo含量的CrMoCN/Al2O3 对磨副在海水环境中的摩擦学测试分析
•     4.2.4 CrMoCN薄膜与Al2O3 材料在海水中对磨的磨损机理分析
•   4.3 不同Mo含量的CrMoCN薄膜在海水环境中的电化学性能测试分析
•     4.3.1 CrMoCN薄膜的开路电压测试
•     4.3.2 CrMoCN薄膜的电化学阻抗谱测试
•     4.3.3 CrMoCN薄膜的动电位极化测试
•   4.4 本章小结
• 第五章 Cr（Si）（B）CN薄膜结构、力学性能及在海水环境中的摩擦学性能
•   5.1 引言
•   5.2 Cr（Si）（B）CN薄膜的元素含量
•   5.3 Cr（Si）（B）CN薄膜的结构分析
•     5.3.1 Cr（Si）（B）CN薄膜的XRD相结构分析
•     5.3.2 Cr（Si）（B）CN薄膜元素的XPS化学键结构分析
•   5.4 Cr（Si）（B）CN薄膜的表面形貌和截面形貌SEM照片
•   5.5 Cr（Si）（B）CN薄膜的力学性能分析
•   5.6 Cr（Si）（B）CN薄膜在海水环境中与不同对磨球材料摩擦学测试分析
•   5.7 Cr（Si）（B）CN薄膜在海水环境中与不同对磨球材料的磨损机理分析
•   5.8 本章小结
• 第六章 总结和展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张懋达

导师: 周飞,钱涛

关键词: 薄膜,海水,摩擦系数,磨损

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,材料科学,工业通用技术及设备

单位: 南京航空航天大学

基金: 国家自然科学基金(资助号:51775271)

分类号: TB383.2;O313.5

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000950

总页数: 121

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