| 低压冷喷涂铜基润滑涂层的制备及其摩擦学性能研究 | |
| 陈文元 | |
| Thesis Advisor | 杨军 |
| 2020-06-01 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 低压冷喷涂 铜基涂层 摩擦 润滑 |
| Abstract | 铜及铜合金因其良好的导热、导电、耐腐蚀及抗磨损等性能，广泛用于自润滑轴承、电接触摩擦部件及海洋船舶耐磨损零部件的制备与加工等领域。随着材料表面涂层制备技术的不断发展，冷喷涂技术因其喷涂温度低、对基体热影响小、喷涂速率高、涂层结构致密及其内部残余应力低等优点，有效解决了传统热喷涂技术在喷涂过程中存在的材料氧化、分解及合金成分烧损等问题。为此，基于冷喷涂技术及其材料强化原理，本论文利用低压冷喷涂技术设计、制备了具有良好力学与摩擦学性能的铜基润滑涂层材料，揭示了涂层润滑与磨损机理及其腐蚀与磨损交互作用，主要研究结果如下：1. 通过表面改性石墨润滑剂粉末实现了低压冷喷涂铜-石墨润滑涂层的制备。铜包石墨粉末能实现石墨润滑剂在低压冷喷涂铜-石墨润滑涂层中的有效沉积与良好的界面结合，但其能降低周围铜颗粒的塑性形变。随着喷涂粉末中铜包石墨含量的增加（0~20 wt.%），涂层的沉积效率、硬度和结合强度均呈下降趋势，并且涂层的断裂方式逐渐由涂层与基底结合界面处断裂向涂层内部断裂转变。当喷涂粉末中铜包石墨含量高于10 wt.%时，涂层磨痕表面形成连续、光滑的石墨润滑膜，涂层摩擦系数由0.52下降至0.15左右，涂层的磨损率随着石墨含量的增加先增大后减小。涂层磨损机理由纯铜涂层的氧化磨损转变为铜-石墨涂层的轻微磨粒磨损。2. 基于硬质陶瓷颗粒在冷喷涂过程中对涂层基体的形变强化与弥散强化作用原理，设计、制备了氧化铝颗粒增强铜-石墨复合涂层。喷涂过程中氧化铝颗粒对铜涂层的形变强化与弥散强化作用有效提高了铜涂层的硬度。但随着铜包石墨含量在铜-氧化铝喷涂粉末中的增加，涂层硬度和结合强度降低，涂层断裂方式由涂层与基底界面断裂向涂层内部断裂转变，涂层的摩擦系数先降低后增加，而磨损率先增大后减小；当其含量为10 wt.%时，涂层磨损表面形成了较为连续的润滑膜，此时涂层具有最低的摩擦系数（0.29）和较小的磨损率（2.18 × 10-4 mm3/N·m）。石墨润滑剂能够有效减少铜-氧化铝涂层摩擦亚表层中氧化铝颗粒周围产生的裂纹，改善了涂层的摩擦学性能，涂层磨损机理为磨粒磨损。3. 模拟海水环境中耐磨、耐蚀铜锡合金-氧化铝涂层的制备及其摩擦学行为研究。低压冷喷涂过程中氧化铝颗粒的机械撞击作用能显著改善铜锡合金涂层的微观结构、力学及其在模拟海水环境中的耐蚀、耐磨损性能。随着喷涂粉末中氧化铝含量（0~30 wt.%）的增加，铜锡合金颗粒的塑性形变增大，涂层孔隙率降低，涂层硬度增加25.5%，与基底结合强度提高1.9倍，涂层断裂均出现在涂层与基底的界面结合处。在模拟海水环境中，涂层具有较好的耐腐蚀性能，其摩擦系数随氧化铝含量增加变化不大，但耐磨损性能明显改善；涂层磨损率低至10-7 mm3 /N·m。此外，与316L不锈钢对偶相比，涂层与氧化铝对偶具有较低的摩擦系数，涂层的磨损机理为腐蚀磨损和磨粒磨损。4. 模拟海水环境中润滑、耐磨及耐蚀铜锡合金-氧化铝-银涂层的制备及其磨损机理研究。铜锡合金和软金属银颗粒在低压冷喷涂过程中几乎未发生氧化，且银颗粒周围有金属射流产生，塑性形变明显。随着喷涂粉末中银含量（0~20 wt.%）的增加，其良好的塑性和较低的硬度使涂层厚度和沉积效率增加，涂层硬度下降明显（184.2~131.2 HBW）；但涂层与基底的结合强度（24.1~34.6 MPa）并不随银含量的增加而降低，涂层断裂均发生在涂层与基底的界面结合处。在模拟海水环境中，涂层与氧化铝对偶的摩擦系数随着银含量的增加由0.23下降至0.12，涂层的磨损率先下降后增加，但其大小均在（0.98~2.46）× 10-6 mm3 /N·m范围，涂层磨损机理为腐蚀磨损和磨粒磨损。 |
| Pages | 139 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27330 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 陈文元. 低压冷喷涂铜基润滑涂层的制备及其摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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