氧化物基宽温域自润滑涂层设计、调控及多循环自适应机制

Research in high-temperature lubrication and wear-resistant materials is significant to solve the high temperature lubrication problem in the in the areas of aerospace. The traditional high temperature self lubricating materials will be oxidized and result to the decrease of mechanical properties and can not be used under alternating high and low temperature environment. This proposal based on the temperature self-adaptation concept, we aim to research and develop a kind of wide temperature range self lubricating oxide based composite coatings by using physical vapor depositing technique, and the coatings could be used repeatedly under alternating high and low temperature environment(0-1000℃). In more detail, the repeated using under alternating high and low temperature environment of the coatings will be researched with composition designing, structure optimization, deposition parameters control and heat treatment. The friction and wear behaviors of the coatings at different temperatures will be investigated, and interaction between the oxides as well as physical and chemical effects of the friction surface, will be revealed. The mechanism of lubrication and failure of the coatings at different temperature will be research, and the design principles of the wide temperature range self-lubricating oxide based composite coatings composition and structure used under alternating high and low temperature environment, as well as the control methods of preparation technology will be put forward. We expect the following significant beneficial outcomes from this proposal: (1) development of the theoretical foundation in advanced high-temperature self-lubricating composite coatings; (2) development of the corresponding technical support for solving practical application problems in related fields.

高温润滑材料研究对解决航空航天和装备制造等领域的高温润滑难题具有重大的理论意义和应用价值。传统高温自润滑材料使用温度范围窄，同时高温氧化导致力学性能下降，不能在高低温交变环境下反复使用。本项目基于温度自适应理念，将采用物理气相沉积方法，研究和发展适用于0-1000℃高低温交变环境下可循环使用的氧化物基高温自润滑涂层。通过成分设计、结构优化、沉积参数控制、热诱导等手段，解决高低温交变环境下宽温域自润滑涂层的循环使用问题；研究高低温交变环境下磨损表面的结构形貌特征、成分、相组成，揭示温度变化及摩擦过程中氧化物之间的相互作用以及摩擦表面的物理化学本质，建立材料在不同温度阶段的润滑与失效机制，提出适合在高低温交变环境下使用的氧化物基宽温域自润滑涂层的设计原则和制备工艺控制方法。本项目的实施，将丰富高温摩擦学基础和理论知识，发展我国先进的高温自润滑复合材料，为解决相关领域的实际应用问题提供技术支撑。

针对航空航天等高新技术装备对室温至1000℃宽温域自润滑材料的需求，本项目选择高硬度、高熔点、热稳定性优异的氧化铬陶瓷薄膜开展研究。利用多弧离子镀技术制备了Cr2O3 陶瓷薄膜，系统研究了退火温度对薄膜结构及其宽温域摩擦学性能的影响；考察了不同热处理方式和环境中薄膜的相变及元素扩散行为；建立了高温元素扩散机制及其宽温域自润滑机理。主要成果如下：（1）利用多弧离子镀技术在Inconel 718 合金表面制备了Cr2O3 薄膜，薄膜的结晶度较低，通过对Cr2O3 薄膜的退火处理，薄膜的结晶度显著提高，韧性增加，耐磨性提高10倍以上。（2）在1000℃高温下，Inconel 718合金基材中的Ti和Cr原子扩散至薄膜表面与氧反应生成Cr2O3 和Cr2Ti7O17 复合相，并在晶界处堆积，从而形成了类网状凸起结构。这种结构赋予了薄膜非常优异的宽温域多循环自润滑性能，当这种类网状凸起结构遭到破坏后，可自补充修复，延长其在宽温域环境下的磨损寿命。（3）为了研究元素的扩散行为，我们分别研究了不同厚度的薄膜在退火处理后不同冷却方式下的扩散行为和1000℃下不同保温时间和不同气氛的退火处理的元素扩散行为，研究发现：厚度对类网状凸起结构形成有阻碍作用，不同冷却方式的薄膜表面类网状凸起结构的高度和面密度不同；保温时间越长，凸起结构的高度越大，摩擦系数与磨损率也就越低；此外，基材中的Ti和Cr元素在氮气、氧气以及惰性气体氩气中均会发生扩散，但只有退火环境有氧气时，才能在表面形成了由Cr2O3和Cr2Ti7O17 相组成的类网状凸起结构。（4）引入Ti元素考察Ti、Cr双金属氧化物的可控制备，通过对1000℃退火前后薄膜结构与机械性能的研究发现：TiCr 共沉积制备的复合薄膜的结晶度较低，力学性能与摩擦学性能均较差。而通过纯Ti过渡层、TiCr过渡层以及Ti+轰击的方法设计制备的薄膜退火前与Cr2O3原始薄膜具有相似的力学与摩擦学性能。经过1000℃退火处理后，对于TiCr共沉积以及TiCr过渡层的薄膜而言，生成了Cr2Ti4O11 相，但是并没有出现类网状凸起结构，薄膜的摩擦系数也没有降低。