【摘要】：M50NiL鋼是新一代的航空軸承鋼,表面處理后可以得到類似復合材料一樣的結(jié)構(gòu),表面為高硬度的硬化層,而心部仍然保持較好的韌性。傳統(tǒng)的高溫氣體滲碳工藝由于其在未來航空發(fā)動機性能、可靠性和經(jīng)濟性方面的局限性,已經(jīng)出現(xiàn)被低溫等離子體滲碳取代的趨勢。然而,關于等離子體滲碳M50NiL鋼方面的研究一直尚無報道。類金剛石碳膜由于低摩擦系數(shù)、高硬度和耐磨損等優(yōu)異性能一直是研究的熱點。將DLC膜和化學熱處理結(jié)合是一種提高合金鋼摩擦性能的方法。然而,多步工藝復雜耗時,且產(chǎn)品質(zhì)量很難得到控制。因此,本文針對M50NiL軸承鋼在航空發(fā)動機中耐磨減摩的應用要求,展開了低溫等離子體滲碳層表面原位生長DLC膜的工藝探索,一步法制備了滲碳層和DLC膜的復合改性層,表征了其力學性能和摩擦學性能,并結(jié)合第一性原理計算闡明了等離子體滲碳原位DLC膜的形成機制。研究了氣氛和溫度對等離子體滲碳層的影響,滲碳表層形成相包括含碳馬氏體相、滲碳體相和Fe_3O_4相。隨著碳源氣體比例的提高,主要相由α?_c相轉(zhuǎn)變成Fe_3C相。同時,滲碳層厚度先增加后減小。氣氛對基體硬度的影響可以忽略。500℃和550℃滲碳表面和次表面的主相均為α?_c相,并且表面含碳量低于次表面。隨著滲碳溫度降低至400℃和450℃,表面α?_c相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镕e_3C相,次表面主相依然為α?_c相。450℃滲碳時,隨著時間的延長,表面α?_c相超飽和,并轉(zhuǎn)變?yōu)镕e_3C相。500℃滲碳時,由于等離子體濺射效應,隨著時間的延長,表面含碳量逐漸下降。由于回火效應滲碳后基體硬度下降,其中較高溫滲碳時最明顯。滲碳層的微觀結(jié)構(gòu)演變反映等離子體滲碳是一個擴散可控過程,計算碳在馬氏體和滲碳體相中的擴散激活能分別為64.5 kJ.mol~(-1)和120.7kJ.mol~(-1)。研究發(fā)現(xiàn)高比例碳源氣氛時,低溫長時間等離子體滲碳有助于在表面形成DLC膜。0.3C試樣表面形成了光滑的DLC膜,sp~3含量為53%,硬度達到了13.942 GPa,耐磨性和耐腐蝕性均優(yōu)于其他滲碳試樣。400℃和450℃滲碳表面形成了DLC膜,其中0.15C氣氛400℃滲碳12 h試樣表面的DLC膜性能最佳,膜厚大約為0.8μm,粗糙度Ra 9.5 nm,sp~3含量大約為54.3%,硬度達到13.227 GPa,具有穩(wěn)定的低摩擦系數(shù)(約為0.25)和低磨損率(1.97×10~(-6)mm~3N~(-1)m~(-1))。其中,滲碳后試樣磨損機制由嚴重的黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑶邢髂p和氧化磨損。DLC膜在等離子體滲碳過程中的原位生長是基于滲碳形成了包含F(xiàn)e_3C相的滲碳層,第一性原理計算結(jié)果驗證了Fe_3C相作為襯底對DLC膜的形成具有誘導效應。第一性原理計算預測了合金摻雜Fe_3C相對其性能的影響。Cr、Mo、Ni或者V摻雜Fe_3C相使其結(jié)合能降低,這是由于Cr、Mo、Ni和V與碳的結(jié)合性比Fe與碳的結(jié)合性更強。Cr、Mn、Mo和V摻雜Fe_3C相的形成焓均低于Fe_3C相的形成焓,表明其摻雜能夠提高Fe_3C相的穩(wěn)定性。合金元素摻雜Fe_3C相的(001)面是最穩(wěn)定的,(010)面次之,(100)面為最不穩(wěn)定的表面。Ni摻雜Fe_3C相能夠穩(wěn)定其表面,Cr、Mn、Mo和V的摻雜會降低Fe_3C相的表面穩(wěn)定性。碳在滲碳體(100)面的吸附能最大,(001)面次之,(010)面的吸附能最小,即(100)為最佳的碳吸附表面。Mn、Mo、Cr和V的摻雜滲碳體均提高了Fe_3C對碳的吸附能。滲碳體(100)表面的sp~3鍵合碳形成能最大,其次是(001)表面,(010)表面的sp~3鍵合碳形成能最小。因此,Fe_3C(010)表面最有利于DLC的生長。Mn、Mo、Cr或者V的摻雜Fe_3C相均不利于DLC膜的生長,但是Ni摻雜Fe_3C相有利于DLC膜的生長。
【圖文】：

第1章 緒 論題背景及研究目的和意義承是一種重要的機械零部件，它可以實現(xiàn)機械零件之間以較小的者相對運動，起到了傳遞載荷、保證回轉(zhuǎn)精度的作用[1]。軸承在正常工作時需要承受其材料單軸屈服強度 2-3 倍的靜載荷和循環(huán)于軸承材料的性能和穩(wěn)定性提出了很高的要求，尤其是對于航空輪機及高速列車等高端裝備的應用中[2]，，其中在航空發(fā)動機這一用更是對其軸承材料提出了嚴苛的要求。舉例來說，航空發(fā)動機在高溫和較差的潤滑條件下承受振動應力、彎曲力矩和高的旋5000 r/min）[1]。航空發(fā)動機軸的速度（dm·n）等于軸承的平均直m）和旋轉(zhuǎn)軸速度（n，單位 r/min）的乘積，為了提高飛行器的數(shù)要求不斷被刷新[3]，如圖 1-1 所示，因此未來航空飛行器的發(fā)航空發(fā)動機軸承材料向著更高疲勞壽命和更高耐磨強度的方向發(fā)

理試樣和試樣 623、673、723 和 773K 等離子體滲碳的 XXRD patterns for as-quenched sample and for samples carburi723 and 773 K[48]微觀結(jié)構(gòu)和性能耐蝕性兼具的膨脹奧氏體/馬氏體相（S 相[66]或者 中最重要的發(fā)現(xiàn)之一。研究表明 S 相不僅在不銹獲得，而且在 Ni-Cr[68, 69]和 Co-Cr[59, 60, 70]合金的低。眾所周知，S 相是一種高硬度的碳/氮過飽和固性，同時它又是一種無析出或者少析出相的結(jié)構(gòu)，�？椊嵌葋砜�，透射電子顯微鏡（Transmission elect顯示[71]微孿晶和滑移帶在 S 相中出現(xiàn)，這表明 S并且，晶界和滑移線沿著基體到 S 相是連續(xù)過渡中未發(fā)生新相形核或者生長。澳大利亞的 Fewell
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V252.1;TG174.445

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 楊勇;王鈾;閆牧夫;;提高材料摩擦學性能之稀土表面工程[J];熱處理技術(shù)與裝備;2006年06期

相關博士學位論文 前1條

1 章凡勇;鋁合金表面鍍鈦滲氮復合改性層設計與組織結(jié)構(gòu)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

相關碩士學位論文 前2條

1 姚佳偉;等離子體滲氮過程中鋼表面納米晶層形成機理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

2 黃得猛;等離子體低溫滲氮調(diào)幅分解組織納米化與深層擴散研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2012年

本文編號：2588335