AlCrN涂层表面微/纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究

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本文将硬质涂层技术和表面微/纳织构技术两种效应有机结合,提出了微/纳织构化AlCrN涂层表面的设计思路,在研究分析了AlCrN涂层表面微/纳织构制备技术的基础上,采用激光技术在AlCrN涂层表面制备了微米级和纳米级沟槽型织构,系统研究了微/纳织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性,阐明了微/纳织构对AlCrN涂层表面摩擦磨损性能的影响,并揭示了其磨损机理。首先,采用脉冲光纤激光器在AlCrN涂层表面制备了微米级沟槽型织构,分别研究了脉冲功率、扫描速度和扫描次数对微织构深度和宽度的影响,并结合AlCrN涂层的表面特性,优化得到最佳的工艺参数:脉冲功率为12W,扫描速度为200mm/s,扫描一次,并在AlCrN涂层表面制备了深度为3μm,宽度为36μm,不同间距、不同角度的沟槽型微织构。在分析了飞秒激光加工原理的基础上,采用钛宝石飞秒激光器在AlCrN涂层表面制备了周期性的纳米级沟槽型织构,分别研究了单脉冲能量、扫描速度、扫描间距和扫描次数对纳织构形貌的影响,优化得到最佳的工艺参数:飞秒激光的单脉冲能量为3.5μJ,扫描速度为1000μm/s,扫描间距5μm,扫描次数为1次,并在AlCrN涂层表面制备了深度是200nm,宽度是600nm,面积占有率为100%,50%和25%的三种纳米级沟槽型织构表面。通过往复式摩擦磨损试验对不同角度、不同间距、不同表面粗糙度的微织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性进行了研究分析,系统分析了沟槽型微织构对AlCrN涂层的摩擦磨损性能的影响。研究表明:微织构能够提高AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能,低载荷、高滑动速度和添加润滑剂的条件下,微织构能够更有效的提高AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能;微织构的形貌对表面摩擦磨损性能有很大的影响,与滑动方向平行的织构角度是最佳的减磨角度,400μm是最佳的微织构间距;降低微织构表面的粗糙度可以有效的提高AlCrN涂层表面的抗磨损能力,未抛光和抛光后微织构表面的摩擦系数相差不多,但是降低微织构表面粗糙度能够减小AlCrN涂层表面磨痕尺寸和减小摩擦球的磨损体积。最后,研究了纳米级沟槽型织构对AlCrN涂层表面摩擦磨损特性的影响,试验中对比研究了光滑表面和三种纳织构表面在干摩擦和添加润滑脂条件下的摩擦磨损特性。研究表明:干摩擦条件下,粘着磨损和氧化磨损是AlCrN涂层表面最主要的磨损形式;与光滑表面相比,三种纳织构表面并不能降低AlCrN涂层表面的摩擦系数,相反会增大表面摩擦系数,随着纳织构面积占有率的增加,摩擦系数逐渐增加;三种纳织构表面通过将磨屑存储在沟槽中,改善了未加工区域的磨损情况。添加润滑脂条件下,与光滑表面相比,三种纳织构表面能够有效的降低AlCrN涂层表面的摩擦系数,随着纳织构面积占有率的增加,摩擦系数逐渐降低,低摩擦系数持续时间逐渐增长;纳织构能够成为润滑脂的存储器,持续提供摩擦所需的润滑,也能够成为磨屑的存储器,随着摩擦的进行,当沟槽被磨屑填满后,纳织构失去润滑脂存储器的作用,此时四种试样的摩擦磨损性能基本相同。
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