發(fā)布時間：2020-11-02 01:21

　　 諧波減速器這類精密機械傳動系統(tǒng)中,由于相對運動部件之間幾乎是零間隙裝配,傳統(tǒng)的通過形成連續(xù)油膜來降低摩擦系數(shù)、進而達到減少磨損的“引入潤滑介質(zhì)實現(xiàn)減摩延壽”的設(shè)計制造理念已很難實現(xiàn),因潤滑劑污染而必須以干摩擦環(huán)境為服役條件的“無潤滑機械零部件的減摩延壽”同樣成為難題,而通過摩擦系數(shù)低至近似于潤滑介質(zhì)的自潤滑鍍層的制備以實現(xiàn)精密機械基礎(chǔ)件的減摩延壽已成為先進制造業(yè)的共識。碳基離子鍍層因其制備工藝簡單、沉積溫度低及優(yōu)異的減摩耐磨特性而成為實現(xiàn)精密機械基礎(chǔ)件減摩延壽的有效途徑。但是,純碳鍍層沉積過程中較大的內(nèi)應(yīng)力積累,不僅削弱了鍍層與基體的結(jié)合強度、導(dǎo)致鍍層在服役過程早期剝落失效,同時,較大的內(nèi)應(yīng)力會引發(fā)沉積與剝離平衡,難以制備出厚度較大的純碳鍍層。針對以上碳基離子鍍層的工藝與性能缺憾,本文分別于直流和低頻高功率脈沖兩種電場環(huán)境下,通過Cr元素摻雜量的調(diào)控、反應(yīng)性氣體N2及輔助碳源CH4氣體的引入,系統(tǒng)研究了不同電場環(huán)境下的C靶電流密度、Cr及CrN的晶化特性、CH4離化所得的碳源增量對Cr摻雜碳基離子鍍層沉積過程、微觀結(jié)構(gòu)以及摩擦學性能的影響,得到如下結(jié)論:Cr摻雜可誘發(fā)碳基離子鍍層由完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)向鑲嵌有納米晶的“納米晶區(qū)+非晶基質(zhì)”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。隨著Cr含量的增大,碳基離子鍍層中的sp2雜化鍵含量增加,sp2團簇結(jié)構(gòu)有序度升高,sp3雜化鍵含量減少,sp3/sp2比值持續(xù)減小,導(dǎo)致鍍層的硬度降低。隨著Cr含量的增大,碳基離子鍍層的內(nèi)應(yīng)力顯著降低,摩擦系數(shù)和比磨損率均先減小后增大,當Cr含量為2.0at.%時,鍍層具有最低的摩擦系數(shù)0.06和最小的比磨損率4.6×10-17m3/Nm。說明微量摻雜Cr元素能夠顯著降低碳基離子鍍層的內(nèi)應(yīng)力,有效地改善了鍍層的摩擦學性能。引入反應(yīng)性氣體N2生成CrN納米晶強化相的碳基離子鍍層的厚度和沉積速率均隨著C靶電流密度的增大而增大,Cr-C鍵含量逐漸增大,Cr-N鍵含量逐漸減小,sp2雜化鍵含量增加,sp3雜化鍵含量先增加后減少,鍍層的硬度和彈性模量持續(xù)增大,最大值分別為22GPa和158GPa。內(nèi)應(yīng)力隨著C靶電流密度的增大先減小后增大,在C靶電流密度為0.022A/cm2時,內(nèi)應(yīng)力的最小值為0.308GPa,此時鍍層的結(jié)合力為60N。另外,鍍層的摩擦系數(shù)和比磨損率均隨著C靶電流密度的增大先減小后略微增大,當C靶電流密度為0.033A/cm2時,摩擦系數(shù)和比磨損率最小,分別為0.14和1.3 × 100-16m3/Nm,鍍層的摩擦學性能最優(yōu)。引入反應(yīng)性氣體N2制備的以CrN納米晶為強化相的碳基離子鍍層的硬度和結(jié)合力有明顯的提升,鍍層的承載能力顯著增強。隨著CH4氣流量的增大,碳基離子鍍層的厚度和沉積速率顯著增大,實現(xiàn)了 CH4離化增強碳源輔助碳基離子鍍層的高效沉積。隨著CH4氣流量的增大,sp2雜化鍵含量減少,sp3雜化鍵含量增加,sp3/sp2的比值增大,使鍍層的硬度隨之增大。鍍層的內(nèi)應(yīng)力隨CH4氣流量的增大先減小后增大,當CH4氣流量為6sccm時,內(nèi)應(yīng)力的最小值為0.332GPa,此時鍍層白的結(jié)合力的最大值為53N。當CH4氣流量為6SCccm時,碳基離子鍍層高硬度和低摩擦系數(shù)共同決定了最小的比磨損率。說明引入適量的CH4氣體為輔助碳源能夠顯著提高碳基離子鍍層的沉積速率和厚度,提高鍍層的耐磨性。直流電場模式下,碳基離子鍍層為致密的納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu),隨著C靶電流密度的增大,鍍層的沉積速率和sp2雜化鍵含量持續(xù)增大,sp3雜化鍵含量先增加后減少,sp3/sp2的比值先增大后減小,當C靶電流密度為0.033A/cm2時,鍍層的最大值為21GPa。鍍層的內(nèi)應(yīng)力、摩擦系數(shù)和比磨損率均隨著C靶電流密度的增大先減小后增大,當C靶電流密度為0.033 A/cm2時,鍍層具有最低的內(nèi)應(yīng)力0.14GPa、最高的結(jié)合力39N、最小的摩擦系數(shù)0.06和最小的比磨損率4.4× 10-17m3/Nm。低頻高功率脈沖電場模式下,當C靶峰值電流密度為0.074A/cm2時,碳基離子鍍層有最高的硬度12GPa、最小的內(nèi)應(yīng)力0.12GPa、最高的結(jié)合力52N、最小的摩擦系數(shù)0.05以及有最小的比磨損率4.0×10-17m3/Nm。說明適當提高C靶電流密度能夠優(yōu)化碳基離子鍍層的力學和摩擦學性能。
【學位單位】：西安理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH117.1;TG174.4
【部分圖文】：

因此，新型碳材料又被譽為第四類工業(yè)材為當前材料科學中最具有生命力的材料。結(jié)構(gòu) 6，核外電子分布為 1s22s22p1x2p1y，具有 4 個未三種雜化形式[60]，碳原子的雜化結(jié)構(gòu)如圖 1-1

于 1at.%到大于 60at.%。sp3雜化鍵類似于金鍵類似于石墨的價鍵，形成的是三配位體，鍵則影響其機械力學性能，氫含量又對 sp2雜b[68]通過分析研究得到了非晶碳基薄膜的 s相圖，如圖 1-2 所示。

作原理如圖 1-6 所示[80]，在與靶材表面平行產(chǎn)生陰極電子，在電場的吸引下加速飛向基并轟擊靶材表面從而產(chǎn)生濺射，濺射得到的二次電子在陰極位降區(qū)域范圍內(nèi)被加速成為著磁力線做高速回旋運動，大大提高了其碰電離出更多的氬離子。隨著碰撞次數(shù)的增加面，電子能量消耗完全時則會沉積在基體
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本文編號：2866372