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关键词： 碳化硅陶瓷   杉木衍生碳   制备工艺   摩擦磨损性能  

摘要： 生物质SiC陶瓷材料不仅具有耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化性等优异性能，而且，其原材料来源广泛、制备成本低且生物相容性好，因此，它被认为是一类环境友好型材料，并具有被广泛应用于机械、化工、催化和生物医疗等领域的广阔前景,近年来,有关生物质SiC陶瓷材料的研究受到国内外学者的广泛关注。本文以杉木为原料，经过高温二次碳化得到杉木生物质衍生碳源，采用响应面实验优化制备工艺,得到杉木衍生碳源SiC陶瓷材料(Fir-derived carbon source silicon carbide ceramics,FSCC),研究了碳硅比、反应温度、胶黏剂用量等参数对制备FSCC摩擦性能的影响。通过SEM、XRD、EDS等分析测试手段对FSCC的微观组织、元素组成、晶体结构等变化进行表征，在性能上，通过磨损实验研究了摩擦磨损行为，并研究了摩擦系数、摩擦力和磨损量之间的关系，其次通过表征摩擦磨损面对其摩擦磨损过程及行为机制进行探究，以下为主要研究结论如下:　　(1)根据生物质基SiC陶瓷组织物相和形貌结构分析，选定1200℃、1400℃和1400℃的反应烧结温度,Si和C原位反应均会发生。在1400℃烧结温度以前，原位反应主要以Si(s)+C(固+固)反应为主，通过扩散作用反应生成SiC,且生成的SiC以颗粒状为主，呈现出棱角分明的形貌，表明SiC晶体的生长具有择优取向;在1400℃烧结温度以上，反应以Si(l)+C(液-固)为主，反应速率主要取决于液Si在碳粉表面的铺展速度，C原子溶解于液Si中形成过饱和溶液，然后SiC晶体在溶液中析出，形成SiC后的反应速率取决于Si原子在SiC层中的扩散速度。　　(2)通过单因素实验确定因素水平，采用响应面优化分析法对杉木衍生碳源SiC陶瓷的制备工艺进行优化。选取了碳硅比，反应温度和胶黏剂用量作为三因素，基于单因素实验，确定了因素的水平参数分别为碳硅比3∶7、4∶6、5∶5;反应烧结温度1200℃、1400℃、1600℃;胶黏剂用量3％、5％、7％,选取杉木衍生碳源SiC陶瓷的摩擦系数作为响应面优化实验的响应值，通过Box-Behnken Design设计原理，使用Design-Expert 11.0软件进行数据分析，经过对摩擦系数的方差分析和磨损率对比，得出反应温度对于SiC陶瓷摩擦系数和磨损率的影响最大，结合材料表面层及内部层的XRD和SEM数据分析，说明提高反应温度，能促进坯体的致密化，同时，加速晶粒和晶须生长，增强晶粒间结合，提高材料力学性能。　　(3)在摩擦学性能上，将FSCC在常温下进行摩擦磨损实验，在5N、10 N、15 N的载荷压力测试下，其摩擦系数和磨损率分别为0.384、0.576、0.763和4.64×10-4mm3/N·m、6.83×10-4mm3/N·m、7.96×10-4mm3/N·m。随着载荷压力的增加，表面容易诱发微裂纹，且微裂纹迅速扩展，导致脆性剥落和磨粒的形成，其主要磨损行为由犁沟磨损和磨粒磨损控制。但在高温下，FSCC的减摩性与耐磨性均得到大幅提升，在FSCC摩擦表面生成具有润滑或者减磨作用的氧化物薄膜层，其摩擦系数和磨损率分别为0.372、0.431、0.455和4.12×10-4 mm3/N·m、5.66×10-4mm3/N·m、7.38×10-4mm3/N·m。由于氧化膜层硬度低于 FSCC,容易产生晶格畸变，在高温下，摩擦表面具有一定的塑性变形能力，提高了裂纹失稳扩展的阈值，对高温磨损润滑起着非常重要的作用，使SiC及其多相陶瓷出现高温自润滑现象。　　(4)以FSCC材料为研究对象，通过实验与模拟相结合的方法研究FSCC的摩擦过程。在HT-1000型摩擦磨损试验机上进行试验，采用正交试验设计方法研究载荷和转速分别对于摩擦系数和FSCC最大等效应力的影响程度。通过ABAQUS有限元软件建立了 Si3N4对磨球和FSCC工件的几何模型，二次开发用户子程序UMESHMOTION,将压头与陶瓷盘实现初始稳定接触，然后进行动力学分析，将陶瓷考虑为各向同性材料进行摩擦分析，而当法向荷载较大时，摩擦力很短的滑动距离内迅速增大到一定值后趋近平缓，摩擦力受转动速度的影响较小。随着转动速度的增大，FSCC产生应力集中的区域越广，FSCC越容易产生变形，而且变形越来越明显。

关键词： 纳米结构复合膜   力学性能   摩擦磨损性能   碳基润滑膜   贵金属催化  

摘要： 活塞减摩耐磨性能的提高对于发动机的效率与寿命具有重要意义。在各类发动机中活塞环-缸套接触的摩擦损失了发动机50%以上的能量。为提高活塞的减摩效果和燃油效率,目前都采用在基础润滑油中加入添加剂方案,以ZDDP为主的润滑油添加剂具有优异的润滑效果,但其分子结构中包含的P、S元素也同时会对环境造成无法挽回的危害。基于此应用现状,我们提出设计无磷无硫的环境友好型摩擦磨损固体润滑体系。利用磁控溅射多靶共沉积技术制备含有纳米活性金属的TiN基纳米复合薄膜材料,以期保证薄膜在PAO6中进行摩擦时摩擦表面生成固体摩擦膜,从而获得优异的摩擦磨损性能。利用X射线衍射仪,扫描电子显微镜,透射电子显微镜,纳米力学综合测试系统,摩擦磨损试验机,X射线光电子能谱仪等研究贵金属相对薄膜的微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响,通过解析碳基润滑膜的键合方式和原子结构,揭示在PAO6中的润滑机理。论文的主要结果如下: （1）对不同Cu含量的TiN/Cu复合膜的微结构与性能进行研究,结果表明:薄膜由fcc-TiN和fcc-Cu两相构成;随着Cu含量的升高,薄膜硬度先上升后下降,当Cu含量为2.55 at.%时硬度最高,其最高值为24.61 GPa;在空气中摩擦时,摩擦系数和磨损率随Cu含量的增加先降低后升高,当Cu含量为8.46 at.%时,摩擦系数和磨损率最低,分别为0.1196和7.73×10-8mm3N-1mm-1;在PAO6中摩擦时,摩擦系数和磨损率随Cu含量的增加先降低后升高,当Cu含量为2.55 at.%时,摩擦系数和磨损率最低,分别为0.1046和0.1463×10-8mm3N-1mm-1,对比在空气中摩擦的情况,摩擦系数和磨损率都有不同程度的降低;PAO6在摩擦过程中部分发生分解,并在磨痕区域生成碳基润滑膜,这归因于Cu纳米粒子的催化作用,催化了PAO6分解;碳基润滑膜为类石墨结构,摩擦时间从1h增加至5h后,摩擦系数从0.1046降低至0.0863。 （2）对不同Cu含量的TiBN/Cu复合膜的微结构与性能进行研究,结果表明:薄膜主要由fcc-TiN,fcc-Cu,hcp-TiB2和非晶BN四相构成;在TiBN薄膜中,B的加入显著提高了TiN薄膜的硬度,从B含量为0 at.%时的18.67GPa提升到B含量为5.19 at.%时的23.73GPa,硬度的提高是由于硬质非晶BN相的强化作用。Cu加入后,在Cu含量为2.11 at.%,B含量为4.33 at.%时硬度达到最大,为38.23GPa,薄膜硬度的升高归因于细晶强化的作用;B的加入提高了薄膜的高温摩擦磨损性能,选择硬度最高的TiBN/Cu试样,在空气中,进行室温到500℃的摩擦实验,结果表明,随着温度的增加,摩擦系数从0.57降低至0.25,磨损率从2.16×10-8mm3N-1mm-1增大到18.6×10-8mm3N-1mm-1;该试样在PAO6中分别进行了1h、2.5h和5h的摩擦试验,并且对比了不含Cu的TiBN薄膜在添加了1%ZDDP的PAO6中摩擦1h的情况,结果表明,TiBN薄膜在含1%ZDDP的PAO6中的摩擦系数为0.09687,Cu加入后,TiBN/Cu薄膜在PAO6中摩擦1h,2.5h和5h的摩擦系数分别为0.09966,0.08534和0.08299,碳基润滑膜的润滑作用与ZDDP相当,可以替代ZDDP的功能。 （3）对不同Ag含量的TiN/CuAg复合膜的微结构与性能进行研究,结果表明:薄膜主要由fcc-TiN,fcc-Cu和fcc-Ag三相构成;Ag含量的升高,使得薄膜硬度先升高后逐渐降低,当Ag含量为2.27 at.%时硬度最高,其最高值为30.85 GPa,这是因为Ag与Cu都以单质形式存在于薄膜中,都有细化晶粒的作用,都可以引发细晶强化;在空气中摩擦时,摩擦系数和磨损率随Ag含量的增加先降低后升高,当Ag含量为2.27at.%时,摩擦系数和磨损率最低,分别为0.1275和3.16×10-8mm3N-1mm-1,磨损机制以磨粒磨损为主;在PAO6中摩擦时,摩擦系数和磨损率随Ag含量的增加先降低后升高,当Ag含量为2.27 at.%时,摩擦系数和磨损率最低,分别为0.0945和0.2463×10-8mm3N-1mm-1,对比在空气中摩擦的情况,摩擦系数和磨损率都有不同程度的降低;和TiN/Cu薄膜相比,Ag加入后,磨痕拉曼图中D峰和G峰强度更高,摩擦相石墨化程度更高,PAO6分解率更高,润滑性能更好。

关键词： 矿用浮选机   叶轮磨损   轴系振动   流体脉动激励力   振动响应  

摘要： 浮选机作为矿山及冶炼行业主要装备，其发展趋于大型化、集群化、智能化，对其可靠性提出了更高的要求。浮选机浮选过程中叶轮磨损是其主要失效形式之一，但限于其在矿浆中运行，工作环境恶劣，针对叶轮磨损的监测技术研究进展缓慢，严重制约其可靠性的提升，因此，亟需开展叶轮磨损表征机理的研究。本文针对叶轮磨损与浮选机动力学响应映射关系，综合利用计算流体力学方法（CFD）和基于有限元的声固耦合动力学建模方法，分析了叶轮磨损对叶轮旋转诱导流体脉动激励力频率特性和结构振动的固有特性、传递特性的影响，并综合两者变化规律，揭示了基于轴系振动信号的浮选机叶轮磨损表征机理。　　首先，考虑诱导叶轮振动的流体脉动激励力特性的影响，采用CFD方法构建浮选机叶轮在流体中旋转的流固耦合动力学模型，开展不同叶轮转速工况的非定场流体动力学计算，得到了叶轮转速、叶轮叶片数与流体脉动激励力频谱特性的对应关系，并发现随着转速的增大，叶频幅值也不断增大;针对叶轮磨损诱发流体脉动激励力变化问题，分别构建轻度、中度、重度叶轮磨损状态下浮选机非定常流体动力学计算模型，获得不同磨损状态下对应的流体脉动激励力的频域特性，对比分析叶轮磨损程度对叶轮旋转诱导流体脉动激励力的影响规律，发现轻度磨损与健康状态相比，不同叶频对应幅值既有增大也有减少，随着磨损程度增加，稍边脱涡减少，叶频对应的幅值不断减小。　　其次，考虑叶轮磨损对叶轮-轴系结构振动的固有特性和传递特性影响，提出了基于有限元的浮选机-矿浆声固耦合动力学建模方法，构建了浮选机-矿浆流固耦合系统弹性振动力学模型，分析了叶轮不同磨损程度下叶轮-轴系系统固有频率的变化规律，研究了叶轮单位脉动激励力下叶轮磨损对叶轮-轴系系统振动传递特性的影响，发现矿浆中叶轮叶片的固有频率随着磨损程度的增大而减小，从轻度到重度磨损相应固有频率，相比与健康状态分别下降了8％、15.6％、17.8％,轴系-叶轮耦合模态中轴系弯曲为主的模态固有频率随着磨损程度的增大而增大，从轻度到重度磨损相应固有频率，相比于健康状态分别上升了1％、2.6％、4.8％。　　最后，综合考虑叶轮磨损对流体脉动激励力和结构固有特性的影响，构建了流体脉动激励力下叶轮轴系系统动力学响应计算模型，分析了叶轮磨损对流体脉动激励力下叶轮轴系系统振动特性的影响规律，发现不同磨损程度叶轮轴系对应的频率表征不同，并在流体脉动激励力频率和结构固有频率重合处，频率幅值增大，同时在70-95Hz频率段，随着磨损程度的加剧，叶轮叶子固有频率减少，与流体激励力频率重合共振又偏离，使得振动响应的幅值随着磨损程度加剧而呈现先增大后减少的趋势。通过长期监测70-95Hz频率段叶轮叶子固有频率和振动响应幅值的变化，实现浮选机叶轮不同磨损程度的表征。

关键词： 聚合物复合材料   BNNSs   混合填料   摩擦磨损性能  

摘要： 聚酰胺酰亚胺（PAI）作为聚酰胺树脂类的一种新型聚合物,在高温下仍能保持良好的机械性能和耐磨性,使其成为聚合物中服役于恶劣环境耐磨部件的理想选择。但是PAI在上述应用中存在着摩擦系数、磨损率高、力学性能与导热性能差等缺点,而以往的研究表明,力学性能和导热性能也是影响材料摩擦磨损性能的重要因素。因此本文旨在研究一种适用于燃气轮机中滑块的PAI基减磨复合材料。 基于以上思路,本研究通过Materials Studio软件中分子动力学的Forcite模块模拟计算聚四氟乙烯（PTFE）改善PAI复合材料摩擦磨损性能的可行性,通过分析计算结果发现,材料中的PTFE在磨擦过程中附着在摩擦副上导致摩擦系数降低和磨损率提高,为后续试验阶段做出一定的指导。 本研究采用冷压热烧结成型的方法制备了PTFE/PAI复合材料,在载荷为100N,转速为100 rad/min,时间为60 min的摩擦条件下进行了摩擦磨损试验,结果表明含10%PTFE的PAI复合材料能在保持低摩擦系数的同时磨损率提高最少,并根据纳米压痕测试的复合材料表面层硬度和模量来看,该材料的综合性能也最为优异,因此选择此配比的聚合物作为复合材料的聚合物基底。 随后采用液相剥离的方法制备了BN纳米片（BNNSs）,将制备的BNNSs和纳米二氧化锆（Zr O2）通过磁力搅拌再抽滤的方法制备混合填料,通过FTIR和XRD表征混合填料的结构及晶型。结果表明BNNSs具有高度取向结构,Zr O2的掺入在一定程度上降低了填料中BNNSs的高度取向排列。 采用以上方法制备了不同含量h-BN和BNNSs-Zr O2的聚合物复合材料,研究其性能发现加入填料后复合材料的摩擦磨损性能和力学性能都得到提升,其中混合填料对耐磨性的增强效果最优。通过记录复合材料在试验过程中摩擦表面的温度,发现加入填料后可以温度降低约50°C。进一步测试复合材料的导热性能,结果表明填料的加入能提升材料的热导率和热扩散系数,其中使用10%混合填料的材料热导率提升了20%。这些性能的提升可以使复合材料在保持PAI基体高耐热性的同时,提高材料的导热性能以降低磨损率,从而实现PAI复合材料在应用中的耐磨性提高,延长部件的使用时间。

关键词： 钛合金   激光微织构   摩擦磨损   干摩擦  

摘要： 钛合金因为密度小、耐蚀性好、无磁性、比强度高、良好生物相容性等优点,被广泛应用于船舶与海洋工程、石油化工、航空航天,生物医疗领域。但是钛合金硬度低,耐磨性差,导致摩擦损耗大。为了改善钛合金的摩擦学性能,采用MOPA脉冲光纤激光器在TC4钛合金表面制备微织构,以GCr15钢球与Si3N4陶瓷球为对磨副,研究了干摩擦条件下TC4钛合金摩擦磨损性能,探索激光微织构在不同工况下对钛合金摩擦学性能的改善机制,为钛合金进一步工业应用提供实验基础。具体研究内容如下: （1）采用激光打标机在TC4钛合金表面制备微织构,研究了激光参数对钛合金表面微坑几何形貌的影响,获得了激光参数对微坑直径和深度的作用规律。在扫描间距为1-16μm时,随着扫描间距的增加,微坑直径变化不大,微坑深度呈现先增加后减小最后趋于平缓的趋势。当扫描间距为2μm时,微坑深度达到最大146μm;光斑直径为2-10mm时,随着光斑直径的增加,微坑直径呈先减小后增加最后稳定不变的变化趋势,当光斑直径为4 mm时,微坑直径最小;微坑深度呈下降趋势,光斑直径为2 mm时,微坑深度最深。扫描次数1-5次时,随着扫描次数的增加,微坑直径增加;微坑深度呈先增加后减小趋势。扫描速度为100-500 mm/s范围,随着激光扫描速度的增加,微坑的直径和深度均在减小。离焦量-0.5-0.5 mm时,随着离焦量的增加,微坑直径和深度均逐渐减小;激光加工会对钛合金表面力学性能产生影响,微坑周围硬度明显高于无织构钛合金表面。 （2）采用GCr15钢球和Si3N4陶瓷球分别与TC4钛合金配对,研究在干摩擦条件下TC4钛合金的摩擦磨损性能。在载荷为3-9 N时,无论与GCr15钢球还是Si3N4陶瓷球配对,载荷会改变钛合金磨损形式,载荷越大黏着磨损越严重;在旋转直径为6-20 mm时,随着旋转直径增加,摩擦系数和磨损量均增加。在转速为100-300 r/min时,转速对两种摩擦副摩擦学性能影响有所不同,与GCr15钢球配对时,随着转速增加,摩擦系数和磨损量也逐渐增加,而与Si3N4陶瓷球配对时,随着转速的增加,摩擦系数和磨损量均呈先增加后减少的趋势,在转速为200 r/min时,摩擦系数和磨损量取得最大值; （3）研究了微坑直径、深度、面积占有率等激光微织构参数在干摩擦条件下对TC4钛合金摩擦磨损性能的影响。实验发现,微坑直径为100μm、微坑深度为80μm、面积占有率为25%时,织构化钛合金的摩擦磨损性能最好。与无织构的钛合金相比,摩擦系数降低了25%,磨损量下降了17%。随后研究了该参数织构化钛合金在不同接触条件下的干摩擦性能。实验发现,在载荷为3-9 N时,随着载荷增加,织构化钛合金的摩擦系数和磨损量均在逐渐增加;旋转直径为6-20 mm时,随着旋转直径增加,织构化钛合金的摩擦系数呈先增大后减小趋势,而磨损量则呈一直增加趋势,黏着磨损所占比例也逐渐增大;转速为100-300 r/min时,随着转速增加,织构化钛合金的摩擦系数呈先减小后增加趋势,磨损量则逐渐减小;微织构在干摩擦条件下主要通过收集磨屑,改变接触面积,增加表面氧含量,提高表面硬度改善钛合金的摩擦学性能,同时激光加工产生的熔渣也有一定的减摩作用。

关键词： PTFE基自润滑复合材料   摩擦转移膜   类梯田状微观形貌   摩擦   磨损  

摘要： 聚四氟乙烯（PTFE）复合材料以其优良的自润滑性能在航空、航天、机械等重要领域具有广泛的应用前景。PTFE复合材料与金属对磨时会在金属对偶面形成具有屏障和润滑作用的摩擦转移膜,其在提升复合材料的摩擦学性能方面发挥着关键作用。关于摩擦转移膜形貌与复合材料摩擦学特性关系的定量化研究已成为热点,研究者试图从厚度或覆盖率等指标入手来构建转移膜形貌与PTFE复合材料摩擦学性能的函数关系,目的是希望通过这些研究能够实现高性能PTFE复合材料摩擦学性能的调控。然而,目前关于PTFE复合材料摩擦转移膜的微结构特征尚不明确。本文聚焦摩擦转移膜形貌微结构进行深入系统的结构表征研究,多方面详细探究转移膜形貌微结构的影响因素,试图从转移膜微观形貌结构与PTFE复合材料宏观摩擦学性能的关系上寻找规律,并融合厚度和覆盖率构建转移膜形貌与PTFE复合材料摩擦学性能之间的函数关系。本文完成的主要研究工作和成果如下: （1）SiO2/PTFE复合材料的摩擦转移膜具有类梯田状微观形貌特征。转移膜类梯田状微观形貌的主要特点是单层厚度近似相等且不同层的覆盖率随着层数的增加逐渐降低。其中,单层厚度不受SiO2的含量和粒径变化的影响,但其会随着p×v值的增大逐渐增大;层数和第1层覆盖率随着SiO2含量和p×v值的增大先增大后减小、随着粒径的增大有降低的趋势,而顶层覆盖率则表现出相反趋势。 （2）转移膜的类梯田状微观形貌在改变PTFE复合材料组分的情况下仍然广泛存在。实际上,改变填料的种类或基体的分子量不会改变转移膜的类梯田状微观形貌特征。填料方面,几种不同填料（TiO2、Zn O、PEEK、WS2、Si3N4）填充PTFE复合材料的转移膜的单层厚度近似相等,但层数和层覆盖率受填料种类变化的影响较大。基体分子量方面,单层厚度、层数和第1层覆盖率均随PTFE分子量的增大逐渐增加,顶层覆盖率表现出相反趋势。 （3）PTFE复合材料转移膜的单层厚度不受改变对偶件表面粗糙度Ra和偏度Ssk的影响,但不同填料填充PTFE复合材料的转移膜的第1层覆盖率和层数会因表面形貌的变化表现不同趋势。SiO2/PTFE复合材料转移膜的第1层覆盖率和层数随着表面粗糙度值和偏度值的降低逐渐增加;PEEK/PTFE复合材料转移膜的第1层覆盖率和层数随着表面粗糙度值的降低逐渐增加,随着偏度值的减小先增大后减小。 （4）PTFE复合材料的摩擦系数与转移膜的层数、第1层覆盖率和顶层覆盖率之间没有明显变化关系,但复合材料的磨损率受这些参数的影响较大。总体来看,本文试验条件下PTFE复合材料的耐磨性与转移膜层数、第1层覆盖率和顶层覆盖率之间的规律是:转移膜的层数和第1层覆盖率越大、顶层覆盖率越小,复合材料的耐磨性越好。 （5）PTFE复合材料的耐磨性与转移膜的最大厚度、第1层覆盖率和顶层覆盖率之间具有较好的相关性。基于本文的试验条件,融合厚度和覆盖率建立的转移膜形貌与复合材料磨损量之间的关系方程为:V1=0.95（?）-0.061。 本文定量表征和描述了PTFE复合材料摩擦转移膜的类梯田状微观形貌,揭示了转移膜微观形貌参数（层数、层厚度和层覆盖率）与复合材料宏观摩擦学性能的关联性,建立了转移膜形貌与复合材料耐磨性之间的关系方程。论文工作可为完善转移膜形貌的细节特征提供参考,为PTFE复合材料的摩擦学性能可控优化提供一定理论指导。

关键词： 电火花沉积   立体结构自润滑涂层   Workbench   摩擦磨损  

摘要： 为了提高45钢表面的润滑性与耐磨性,本文采用HB09-K3型电火花堆焊修复机,以石墨、硬质合金为电极材料,在45钢上电火花沉积硬质合金-石墨立体结构自润滑涂层。首先对制备参数、沉积时间进行选择,对涂层结构进行设计,最后使用扫描电子显微镜对立体结构涂层表面、截面微观形貌进行观察,并对涂层表面、截面进行EDS分析。利用Workbench对涂层的摩擦过程进行仿真模拟,分析摩擦过程中涂层应力、应变及温度的变化规律。使用往复摩擦磨损试验机对涂层进行摩擦磨损试验,对涂层的摩擦磨损性能进行研究。采用单因素实验对制备参数进行选择,发现脉冲电压50V,放电频率40Hz,脉冲宽度40μs,电极转速250r/min,硬质合金的沉积质量好;脉冲电压60V,放电频率60Hz,脉冲宽度50μs,电极转速250r/min,石墨的沉积质量好。底层硬质合金沉积时间4min,中间层硬质合金、石墨的沉积时间/面积比为分别为2min/cm、6min/cm,顶层石墨的沉积时间6min时,制备的涂层厚度最厚,表面粗糙度最小。使用SEM和Image J对涂层的表面形貌进行观察,发现最佳参数下制备的涂层表面平整,存在少量气孔和裂纹,对截面进行EDS分析,发现涂层与涂层、涂层与基体之间存在元素扩散现象。使用Workbench对涂层的摩擦过程进行仿真模拟,分析接触区域应力、应变及温度的变化规律,结果发现:随着载荷、频率的增加,接触区域的应力、应变、温度会增加,在相同条件下,立体结构涂层摩擦过程中受到的应力、应变、温度相较于45钢、硬质合金-石墨涂层有所下降。本文研究了立体结构自润滑涂层在销-盘、球-盘条件下的摩擦学性能。结果发现:在相同条件下,立体结构涂层的摩擦系数、磨损量相较于45钢、硬质合金-石墨涂层有所下降。随着载荷、频率的增加,立体结构涂层的摩擦系数逐渐下降,而磨损量逐渐上升。通过对磨损形貌进行分析,发现销-盘条件下摩擦表面更加平整,摩擦系数和磨损量更小。

关键词： 摩擦磨损   热冲压   激光熔覆   超高强镀层钢板   H13模具钢  

摘要： 在“碳达峰”和“碳中和”的时代背景下，热冲压成形技术作为汽车轻量化的关键技术之一，在车身的生产制造领域得到广泛应用。然而，由于冲压过程中工作环境恶劣且伴随着强烈的摩擦磨损行为，热冲压模具表面常常会发生磨损失效，进而影响产品的成形质量。因此，需要对模具表面进行强化，并探究强化后模面在高温环境下的摩擦磨损行为，以降低或抑制模具表面的磨损。　　本文采用激光熔覆技术，在H13模具钢表面先后制备了Fe901熔覆层与不同WC含量的Fe901/WC复合熔覆层，并对各熔覆层的宏观形貌、物相成分、微观组织以及显微硬度等进行了分析。随后，通过超高强镀层钢板（GI、GA、无镀层）与激光熔覆模面间的高温摩擦磨损试验，探究了各熔覆层在高温环境下的摩擦系数与磨损失重，并对磨损表面的形貌和成分进行了深入表征，揭示了激光熔覆模面的磨损机制。具体研究成果如下：　　（1）在H13模具钢表面制备了Fe901熔覆层，并对其组织和显微硬度进行分析。同时，对超高强镀层钢板与Fe901熔覆模面间的高温摩擦磨损行为进行探究。结果表明，Fe901熔覆层与基体的结合良好，其内部物相主要包括α-Fe、γ-Fe、M23C6、M7C3等。相比于H13模具钢，Fe901具有更高的显微硬度，且在相同摩擦条件下，其摩擦系数和磨损失重均较低。此外，Fe901熔覆层表面主要表现为氧化磨损和黏着磨损，并伴随着一定的疲劳剥落。在本文的所有的摩擦条件下，Fe901熔覆层表面都形成了连续或不连续的压实氧化层。　　（2）向Fe901粉末中分别添加5%和10%质量分数的WC颗粒，制备了Fe901/WC复合熔覆层，并分析了WC颗粒对熔覆层组织以及显微硬度的影响。同时探究了超高强镀层钢板与Fe901/WC复合熔覆层间的高温摩擦磨损行为。结果表明，添加WC颗粒后，复合熔覆层中逐渐出现了高硬度碳化物Fe3W3C与Fe6W6C，且熔覆层的内部微观组织得到细化。与Fe901相比，复合熔覆层的硬度显著提升。此外，在相同摩擦条件下，复合熔覆层的摩擦系数和磨损失重均表现出更低的趋势，磨损机制主要为氧化磨损和黏着磨损。

关键词： TC4钛合金   搅拌摩擦焊   涂层   搅拌头磨损   磨损机理  

摘要： 钛合金因其优异的性能成为高端领域结构件首选材料,为实现复杂结构件间的连接,搅拌摩擦焊(FSW)被认为是最佳的焊接方式之一。由于钛合金高强度、高熔点等特性,搅拌头在焊接过程中磨损严重,搅拌头材料需具备足够的强度和耐磨性,而在搅拌头上沉积耐磨涂层可有效提高其表面性能,因此,了解搅拌头的磨损机理和选择合适的耐磨涂层对减少搅拌头的磨损至关重要。基于此,本文以DZ22搅拌头为研究对象,研究了工艺参数、焊接长度、涂层类型对接头成形和力学性能的影响规律。通过Abaqus软件模拟不同转速、搅拌针直径、搅拌针长度下温度场变化,为研究搅拌头磨损机理提供温度数据。通过分析不同转速、焊接长度、涂层类型下搅拌头的磨损规律,揭示了搅拌头的磨损机理。主要结论如下:热输入是影响焊缝质量的主要原因。当焊接参数为200/rpm、90mm/min时,使用无涂层搅拌头焊接时接头质量优异、抗拉强度达到母材的96.84%,当焊接600mm后由于搅拌头磨损,焊缝内部出现隧道型缺陷,抗拉强度为母材的87.60%;使用Al Cr N基涂层搅拌头焊接800mm后,仍可保证接头的焊接质量且抗拉强度达到母材的95.32%。搅拌头表面沉积涂层可提高焊接长度、减少焊缝污染。在相同焊接参数下,随着焊接长度增加搅拌头表面状态发生变化,致使搅拌头磨损率增加,在焊接600mm后,搅拌针长度和轴肩深度分别缩短:0.3mm、0.41mm,磨损率分别为:1.21%、1.74%,搅拌头磨损严重已无法使用。在相同的焊接参数下,随着转速增加热输入增大致使磨损率随之增大。相较于无涂层搅拌头,在增加200mm焊接长度后,Al Cr N基涂层搅拌头的搅拌针和轴肩磨损率分别减少:50.41%、22.41%。轴肩的磨损率高于搅拌针。在一定范围内,当搅拌针直径减少后,焊缝中的峰值温度将增大;当搅拌针长度缩短后,焊缝中的峰值温度将减小。无涂层搅拌头的磨损机理是硬质颗粒的磨粒磨损,钛合金“粘结-剥落-撕裂”的粘结磨损,同时伴随机械磨损、扩散磨损、氧化磨损的交互作用。当热输入量不足时,以磨粒磨损为主,粘结磨损为辅;当热输入量足够时,以粘结磨损为主,磨粒磨损为辅。涂层搅拌头的磨损机理主要分为“打断-撕裂”两个阶段,硬质颗粒将连续涂层打断为断续状,在打断处发生粘结磨损,随后表面粘结又将涂层撕裂剥落。