【摘要】：本文運用非平衡磁控濺射系統(tǒng),通過改變?nèi)谆柰榱髁吭?16L不銹鋼及單晶Si(100)片上制備了不同硅、碳含量的CrSiCN和CrSiC薄膜。系統(tǒng)地研究了硅元素對CrSiCN和CrSiC薄膜的成分、微觀結(jié)構(gòu)、力學性能、水環(huán)境下摩擦學性能以及海水中電化學性能的影響;揭示了薄膜在水環(huán)境中摩擦磨損機理以及在海水中抗腐蝕特性的變化趨勢。1.通過改變?nèi)谆柰榱髁恐苽淞朔蔷rSiC薄膜,其硅的含量從2.0at.%增加到7.4at.%。由于薄膜存在非晶結(jié)構(gòu)和較高含量的sp3C-C鍵,其硬度在13.2~13.8GPa之間變化。CrSiC薄膜在去離子水中與SiC球?qū)δr,基于摩擦化學反應生成的水合硅膠層和石墨碳的潤滑作用,其摩擦系數(shù)較低在0.2~0.3之間變化,而CrSiC/Si3N4和CrSiC/SUS440C兩種對摩副的摩擦系數(shù)均在0.4上下波動;當與Al2O3球?qū)δr,摩擦系數(shù)隨著硅含量的增加從0.47逐漸增加到0.72,由于氧化鋁很難形成水合反應膜,薄膜出現(xiàn)了斷裂和疲勞等失效形式。與四種對磨材料的摩擦系數(shù)可以排列為:μSiCμSUS440CμSi3N4μAl2O3。2.隨著三甲基硅烷流量的增加(0~30sccm),CrSiCN薄膜中Si和C元素的含量分別從0at.%增加到9.8at.%和8.7at.%增加到33.4at.%�；诠倘軓娀图{米復合結(jié)構(gòu)nc-Cr(C,N)/(a-Si3N4,a-SiC)的形成使CrSiCN薄膜在硅含量為2.1at.%時,硬度增加到最大值21.3GPa。但是隨著硅含量的增加(≥5.4at.%)導致a-Si3N4/a-Si C相增多,從而硬度降低到13GPa左右。低硅含量CrSiCN薄膜與陶瓷球?qū)δr,獲得較低的摩擦系數(shù)和磨損率;但是在高硅含量時,薄膜由于硬度和抗裂紋擴展性的降低而表現(xiàn)出相對較差的抗磨性。當與SUS440C球?qū)δr,由于氧化反應生成的Fe2O3黏附在磨痕上導致較高的摩擦系數(shù)(μ=0.68~1.02),但隨著硅含量的增加(5.4~9.8at.%),薄膜轉(zhuǎn)移層的潤滑作用使摩擦系數(shù)降低到0.40~0.53。通過探討CrSiCN薄膜的磨損機理發(fā)現(xiàn),在低硅含量時,由于摩擦化學反應在摩擦界面形成了水合硅膠層,有效的提高潤滑膜黏度和承載力,從而表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)(0.108~0.22)和磨損率(8.36×10-8~2.75×10-7mm3/Nm);但在高硅含量時以機械磨損為主,對應的摩擦系數(shù)及薄膜磨損率都有所增加。3.研究了速度、載荷和潤滑介質(zhì)對CrSi(3.5at.%)CN/SiC對摩副摩擦磨損機理的影響,發(fā)現(xiàn)其對應的潤滑機理主要是邊界潤滑。摩擦系數(shù)隨著滑行速度的增加而降低;在低載荷范圍內(nèi)(6N),磨損機理以摩擦化學磨損為主,由于摩擦化學反應生成的水合硅膠層和石墨碳起到潤滑作用,從而有效降低了摩擦系數(shù);在海水潤滑下,由于海水具有腐蝕性,其磨損機理是摩擦與腐蝕的共同作用。但由于海水的高黏度和鈣鎂鹽的潤滑作用,使得CrSiCN/SiC對摩副在海水中的摩擦系數(shù)(0.027~0.119)稍低于在去離子中對應的摩擦系數(shù)(0.018~0.223)。此外,無論是去離子水還是海水的潤滑,隨著載荷的增加(6N~12N),磨痕上均出現(xiàn)局部剝落和疲勞失效。綜合分析摩擦系數(shù)、磨損率以及磨損形貌,建立CrSiCN/SiC對摩副在不同潤滑介質(zhì)下的磨損機理圖:(I)機械磨損;(II)摩擦化學磨損+局部機械磨損;(III)局部機械磨損+摩擦化學磨損;(IV)摩擦化學磨損。4.研究了Cr-Si-C-N薄膜與碳化硅球在海水中的摩擦學性能。發(fā)現(xiàn)在硅含量為7.0at.%時,CrSiCN薄膜獲得了較低摩擦系數(shù)0.12,這表明薄膜內(nèi)存在非晶氮化物相有助于提高薄膜的摩擦學性能。與去離子水潤滑相比,獲得了較低的磨損率,磨痕的犁溝現(xiàn)象得到改善,主要由于海水的高黏度和CaCO3和Mg(OH)2沉淀的潤滑作用以及薄膜較好的抗腐蝕特性;但由于海水具有腐蝕性,磨痕上有明顯的腐蝕痕跡。5.研究了Cr-Si-C-N薄膜在海水中的電化學性能,發(fā)現(xiàn)CrSiC薄膜的孔洞電阻值隨著硅含量的提高而增加了2個數(shù)量級,其自腐蝕電流也相應的逐漸降低。發(fā)現(xiàn)CrSiCN阻抗模在低頻范圍(0.001~1Hz)高于CrCN薄膜;CrSiCN薄膜孔洞電阻比Cr CN薄膜增加了1~2個數(shù)量級,同時CrSiCN-25~30薄膜的孔隙率(4.9~8.7×10-3%)比CrCN薄膜降低了一個數(shù)量級,表明由于硅含量的提高,形成的a-Si3N4/a-SiC/a-C減少了晶粒間的孔隙缺陷,有效的阻礙電解液的侵蝕,從而使CrSiCN薄膜(2.1×103~1.7×104 k?·cm2)在海水中表現(xiàn)出高于Cr CN薄膜的極化電阻(2.0×103k?·cm2)。比較三種薄膜在海水中的電化學特性,CrSiC薄膜因其致密的非晶結(jié)構(gòu),有效阻止海水穿過薄膜腐蝕基體材料,表現(xiàn)出較高的極化電阻以及較低的自腐蝕電流,在海水中具有更優(yōu)的抗腐蝕性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2257369