钛合金表面超厚类金刚石薄膜的设计、制备及其在高载下的摩擦学行为研究

Due to the urgent need for the anti-wear film materials under high load of titanium moving component and the advantage of the tribological behavior of super-thick diamond like carbon (DLC) films under the high load conditions, this project puts forward to research on tribological of super-thick DLC/titanium alloy system under the high load conditions. Through considering the easily oxidized characteristics of titanium surface, the interfacial adhesive energy between substrate and films and the stress distribution in multilayer film, the mechanisms of interaction between substrates and films and the design principles of super-thick DLC films will be explored. Then super-thick DLC films will be prepared by magnetron sputtering technology combined with high density plasma enhanced chemical vapor deposition on titanium alloy , the structure evolved , the relationship between micro-structure and adhesion, load carrying capacity and tribological properties under high load conditions will also be investigated. These results not only provide the new approaches fordesigning, deposition, and the application of the carbon-based film with excellent lubrication, high duration and high reliability on the titanium surface, but also provide a reference to enhance the tribological properties of other light alloys under high load condition.

鉴于钛合金摩擦学运动部件对高接触应力下耐磨防护薄膜的迫切需求以及超厚类金刚石薄膜在高载服役下摩擦学应用的潜在优势，本项目拟开展超厚类金刚石薄膜/钛合金体系的设计、制备以及其在高载下的摩擦学行为研究。项目首先将结合第一性原理计算和有限元模拟，在充分考虑钛合金表面易氧化的特征的基础上，探索钛合金表面膜基界面相互作用机理以及低应力薄膜的设计原则，随后结合磁控溅射与高密度等离子体增强化学气相沉积技术，在钛合金表面构筑超厚类金刚石薄膜，进而通过摩擦学实验和表/界面分析，揭示高载服役条件下各界面的结构演变以及薄膜结构与附着力、承载能力以及摩擦学特性之间的关联性，最终讨论提出高接触应力服役条件下超厚类金刚石薄膜/钛合金体系损伤模型和损伤机制，为钛合金表面低摩擦、高承载和长寿命一体化碳基薄膜的设计、制备及应用提供新思路和新途径，同时为提升其他轻质合金表面在高载服役环境下的摩擦学性能提供参考。

钛合金已获得广泛应用，但其易与其接触物表面产生粘着磨损，钛合金表面构筑具有减摩抗磨功效的润滑薄膜成为改善其摩擦学特性最有效的技术突破口。类金刚石（DLC）薄膜是一种具有优异的润滑薄膜，然而钛合金硬度低，钛合金/DLC薄膜体系的承载能力低，制备超厚DLC是解决这一问题的有效方法。本项目充分考虑膜基多界面特征，将过渡层设计与薄膜多层化相结合，研究了钛合金表面超厚 DLC 薄膜的设计原则，结合磁控溅射与高密度等离子体增强化学气相沉积技术，在钛合金表面制备了超厚 DLC 薄膜，构建了钛合金/表面超厚DLC薄膜体系结构与摩擦学特性之间的关联。研究表明：TiO2/Ti/DLC，TiO2/Cr/DLC以及TiO2/Si/DLC总体粘附功分依次增加，TiO2/Si/DLC界面较稳定，实验也证实Si过渡层对Ti-6Al-4V合金表面DLC薄膜附着力提升最大。多层结构的引入，降低了薄膜的等效应力。在低载作用下，周期数对薄膜内部剪切应力影响不大，但在高载下周期数的增加减小了高载作用下膜基界面的应力。调控加入DLC薄膜中的Si含量，可以调控内应力的大小和类型，压应力和张应力的多层设计可进一步大幅度减小薄膜自身的应力，最终DLC薄膜厚度可达60 μm。不同厚度DLC薄膜的摩擦学决定于薄膜表面的结构，摩擦系数随载荷增加而减小，厚度的增加大幅度增加了钛合金、DLC体系的承载能力。钛合金表面承载和摩擦性能的提升对如何改善其他软基体表面承载及摩擦学性能提供了一种思路。