中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

针对航空航天等高新技术装备对室温至1000 ℃宽温域自润滑材料的需求，本论文选择高硬度、高熔点、热稳定性优异的Cr₂O₃陶瓷薄膜开展研究。Cr₂O₃薄膜因其具有摩擦系数低、抗磨蚀能力强等优点，广泛应用于数据读写磁头、轴承以及汽缸内壁等。本论文利用多弧离子镀技术制备了Cr₂O₃陶瓷薄膜，通过退火处理改善Cr₂O₃陶瓷薄膜的力学性能与摩擦学性能。系统研究了退火温度对薄膜结构及其宽温域摩擦学性能的影响；考察了不同热处理环境中薄膜的相变及元素扩散行为；建立了高温元素扩散机制及其宽温域自润滑机理。取得了一些创新性结果，获得的主要研究结论如下：

1. 利用多弧离子镀技术在Inconel 718合金表面制备了Cr₂O₃薄膜，薄膜的结晶度较低，磨损寿命只有220 m左右，其失效形式为疲劳裂纹贯穿薄膜，导致薄膜剥落失效。通过对Cr₂O₃薄膜的退火处理发现：薄膜重结晶的温度点为360 ℃，当退火温度高于重结晶的温度点时，薄膜的结晶度显著提高，韧性增加，耐磨性提高10倍以上。其主要机制是退火处理导致Cr₂O₃薄膜的缺陷减少、压应力增加以及基材金属原子扩散。

2. 在 1000 ℃高温下，Inconel 718 合金基材中的Ti和Cr原子扩散至薄膜表面氧反应生成Cr₂O₃和Cr₂Ti₇O₁₇复合相，并在晶界处堆积，从而形成了类网状凸起结构。这种结构赋予了薄膜非常优异的宽温域多循环自润滑性能：在25至1000 ℃的宽温域环境下，薄膜的摩擦系数均低于0.3，磨损率也保持在10^-7 mm³/Nm量级，并且在5个热循环内摩擦系数基本不变。此外，当这种类网状凸起结构遭到破坏后，基材中的Ti和Cr原子在1000 ℃环境下会继续往破损处扩散并与氧反应生成由Cr₂O₃和Cr₂Ti₇O₁₇复合相补充凸起结构，这种自补充机制可以延长其在宽温域环境下的磨损寿命。

3. 为了研究元素的扩散行为，我们对Cr₂O₃薄膜在1000 ℃下进行了不同保温时间和不同气氛的退火处理。研究发现：保温时间越长，凸起结构的高度越大，摩擦系数与磨损率也就越低。此外，基材中的 Ti和Cr元素在氮气、氧气以及惰性气体氩气中均会发生扩散。但是经过真空退火处理后的薄膜中并没有发现元素扩散现象，而是在薄膜表面形成了大量的裂纹。在氩气环境下经过1000 ℃退火处理后薄膜表面形成了一层由单质Cr以及少量的TiO₂组成的扩散层。在氮气环境下扩散层则由Cr₂N和TiN构成。当退火环境为氧气时，在表面形成了由Cr₂O₃和Cr₂Ti₇O₁₇相组成的类网状凸起结构。但是在氩气、氮气以及氧气环境下退火处理后的Cr₂O₃薄膜机械性能均较差。

4. 通过TiCr共沉积、纯Ti过渡层、TiCr过渡层以及对基材进行Ti⁺轰击的方法来引入Ti元素，并且控制Ti元素的含量依次减少。通过对 1000 ℃退火前后薄膜结构与机械性能的研究发现：TiCr共沉积制备的复合薄膜的结晶度较低，力学性能与摩擦学性能均较差。而通过纯 Ti过渡层、TiCr过渡层以及Ti⁺轰击的方法设计制备的薄膜退火前与Cr₂O₃原始薄膜具有相似的力学与摩擦学性能。经过1000 ℃退火处理后，纯Ti过渡层以及Ti⁺轰击的薄膜均出现了剥落现象。对于TiCr共沉积以及TiCr过渡层的薄膜而言，虽然1000 ℃退火处理后生成了Cr₂Ti₄O₁₁相，但是并没有出现类网状凸起结构，薄膜的摩擦系数也没有降低。