基于摩擦水合反应的CrCN基薄膜改性及其水润滑摩擦学特性研究

For the tribological properties of CrCN thin films in water lubrication, there are some serious problems such as high friction coefficient and severe wear of mating materials. According to the tribo-hydration reaction mechanism of tribomaterials in water lubrication, the project proposes to study the modification of the CrCN-based films and their water-lubricated tribological characteristics. The influence of boron (B) and Silicon (Si) doping on the microstructure and mechanical properties of CrCN-based films will be discussed to reveal that relationship among the concentration of B and Si elements and microstructure as well as mechanical properties of CrCN-based coatings, and then the influence mechanism of B or Si doping on the microstructure and mechanical properties of CrCN-based coatings will be clarified. The friction and wear properties of B or Si doped CrCN-based films sliding against different mating materials in water lubrication will be investigated by using water-lubricated friction tester. The relationship diagram among film composition, friction conditions, and low friction low wear will be constructed to clarify the friction and wear mechanism of the B and Si doped CrCN-based film in different water environments, and then the effect of the friction hydration reaction of boron or silicon compound on the low friction and low wear behaviors of the CrCN-based films in water will be elucidated. Finally, the theory of composition design and structure control for water-lubricated hard coatings will be proposed according to the hydration reaction.

针对碳氮化铬基薄膜在水润滑中存在摩擦系数高和对摩件磨损严重等问题，本项目从材料的摩擦水合反应出发，提出CrCN基薄膜的改性及其水润滑摩擦学特性研究，探讨硼（B）和硅（Si）掺杂对CrCN基薄膜结构和力学性能的影响，揭示B和Si的成分与CrCN薄膜结构及其力学性能的相互关系，阐明B和Si掺杂对CrCN基薄膜结构和力学性能的影响机制。利用水润滑摩擦试验机研究B和Si掺杂的CrCN基薄膜/不同摩擦副的水润滑摩擦学特性，构建薄膜成分/结构- - 摩擦条件- - 摩擦磨损性能的关系图，揭示B和Si掺杂CrCN基薄膜在不同水环境下的摩擦磨损机理，阐明硼化物和硅化物的水合反应对CrCN基薄膜在水中的获得低摩擦低磨损的作用机理，提出水润滑技术用薄膜的成分设计及结构控制理论。

针对碳氮化铬基薄膜在水润滑中存在摩擦系数高和对摩件磨损严重等问题，本项目从材料的摩擦水合反应出发，提出Si或B掺杂CrCN 基薄膜及其水润滑摩擦学特性研究。利用非平衡磁控溅射系统，通过改变三甲基硅烷（TMS）流量或CrB2靶材的溅射电流在316L不锈钢及单晶Si(100)片上制备了不同Si或B含量的CrSiC、CrSiCN、CrBN、CrBCN薄膜，系统地研究Si或B对CrSiC、CrSiCN、CrBN和CrBCN薄膜的微观结构、力学性能、水环境下摩擦学性能以及电化学性能的影响。结果表明：Si或B都是以非晶氮化物或碳化物形式存在于薄膜中。随着TMS流量的增加，CrSiC薄膜中硅含量从2.0at.%增加到7.4at.%，硬度为13.5GPa。CrSiC/SiC摩擦副在水中的摩擦系数为0.2~0.3。就CrSiCN 薄膜来说，随着TMS流量增加到30sccm，薄膜中Si含量从0at.%增加到9.8at.%。随着硅含量的增加，薄膜的硬度先增加后降低。当硅含量为2.1at.%时，薄膜硬度为21.3GPa。硅含量低的CrSiCN薄膜的磨损机理为摩擦化学磨损，呈现出低的摩擦系数和磨损率。而硅含量高的薄膜的磨损机理以机械磨损为主，呈现高的摩擦系数及磨损率。另外建立了CrSiCN/SiC对摩副的磨损机理图。在海水中，发现硅含量为7.0at.%时，CrSiCN/SiC摩擦副的摩擦系数为0.12。随着硅含量的增加， CrSiCN薄膜的耐腐蚀性增强。当CrB2靶电流为2A时， B元素含量低的CrBN薄膜的硬度高，为28.9GPa，显示低的磨损率；当CrB2靶电流为3-4A时，非晶BN相的生成导致薄膜硬度降低。CrBN/SiC摩擦副的摩擦系数为0.14~0.17，CrBN薄膜的磨损率低。 通过改变CrB2靶溅射电流（0-4A）制备了不同B含量（0.0 at%-27.2 at%）的CrBCN薄膜。Cr(B)CN薄膜硬度均在18GPa附近波动。在自来水中，CrBCN薄膜表现出优异的摩擦学性能。当Cr(B)CN/SiC球在海水环境下进行对摩时， CrBCN薄膜表现出较低的摩擦系数和磨损率。CrBCN薄膜的耐蚀性随着B含量的增加而增加。当Si和B共掺杂CrCN薄膜时，CrSiBCN薄膜的力学性能下降。CrSiBCN/SiC摩擦副在水中表现出最优的摩擦磨损性能。