氮化钛薄膜的可控微纳尺度织构及摩擦学性能研究

However the studies of the solid coating/oil composite lubrication system have been focused in tribological field, the effects of both their tribological mechanism and surface texturing of solid lubrication coatings under boundary lubrication conditions need to be explored further. Micro/nano-scale dimples and titanium dioxide as lubrication phase will be prepared on the surface of physical vapor deposited (PVD) TiN hard coatings with anodic oxidation process in this study. The sur-interface behaviors of different lubricating oils on the TiN coatings modified with micro/nano-scale dimples would be measured, and the tribological properties of composite lubrication system will be evaluated. So the novel composite lubrication system of “ hard coating load bearing phase – titanium dioxide lubrication phase – lubricating oils” will be achieved. In this study, the effects of anodic oxidation parameters and TiN coating characteristics will be investigated for the preparation of micro/nano-scale dimples on the PVD TiN coatings. The characteristic parameters of micro/nano-scale dimples and the physic-chemical properties of lubricating oils will affect the sur-interface behaviors of composite lubrication system, which relationship between them need be revealed; and the influence of micro/nano-scale dimples, titanium dioxide lubrication phase and liquid lubricants under different experiment conditions will be investigated for the tribological properties of composite lubrication system. Based on the analysis results of sur-interface behaviors and tribological properties of composite lubrication system, the tribological mechanism of composite lubrication system modified with micro/nano-scale dimples would be explored. The study will provide theory basis and technical guidance to design and apply the novel solid coating/oil composite lubrication system in moving parts used in harsh environmental conditions.

固-液复合润滑已成为摩擦学领域的研究热点，但复合体系中固体薄膜表面织构与摩擦机理的关系还有待于进一步深入研究。本项目采用阳极氧化方法对氮化钛硬质薄膜进行表面处理制备得到微纳尺度凹坑和具有润滑性能的二氧化钛；测试不同润滑油在阳极氧化氮化钛薄膜上的表界面行为，考察此复合体系的摩擦学性能，构建“硬质承载相-二氧化钛润滑相-液体润滑剂”的新型复合润滑体系。本项目主要研究阳极氧化参数和氮化钛薄膜特性对制备微纳尺度凹坑的影响，揭示微纳尺度凹坑参数、润滑油性质与表界面行为的关系与规律，探索不同实验条件下微纳尺度凹坑、二氧化钛润滑相及液体润滑剂对复合体系摩擦学性能的影响；通过综合分析复合体系的表界面行为与摩擦学性能的关系，探索微纳尺度凹坑修饰氮化钛薄膜/润滑油复合体系的摩擦学机理。该研究对新型复合体系的设计具有重要理论指导意义与实际应用价值，为固-液复合润滑体系在空间运动机械部件的应用提供理论与实验依据。

为进一步提高空间环境等苛刻条件下运动机构的良好运转，延长运动机构的服役寿命，设计了一种新型复合润滑技术，该技术有机结合了硬质薄膜、表面织构、润滑油三者的优势，形成了“固体薄膜支撑相-表面织构-润滑油”三位一体的复合润滑技术。该技术通过采用阳极氧化对氮化钛硬质薄膜进行表面织构化处理，在薄膜表面形成规则凹坑阵列，且因该阵列由电化学方法制备，在凹坑内部会形成微纳结构并在其中原位生成二氧化钛润滑相。在氮化钛薄膜的阳极氧化过程中，阳极氧化的电压和电流对氮化钛薄膜的凹坑形貌有重要影响。当氧化电压和电流逐渐增大时，氮化钛薄膜的溶解速度加快，凹坑形貌由较小类圆形规整形貌向不规整、连续条纹状形貌变化。通过改变沉积参数制备不同微观结构的氮化钛薄膜，也会影响薄膜表面凹坑形貌。当氮化钛薄膜较致密，表面缺陷较少时，阳极氧化初始反应区会集中于少量缺陷处并择优氧化，形成少量非均匀分布的大尺寸凹坑；采用低功率参数制备的氮化钛薄膜其膜层内部残余应力较大，在外界影响下会形成均匀纹理状分布，这会在薄膜表面形成大量缺陷，此时阳极氧化反应会均匀地在薄膜表面发生，制备出均匀织构形貌。进行阳极氧化表面处理的氮化钛薄膜的干摩擦性能优于同等条件下采用激光织构、喷砂处理和掩膜处理的氮化钛薄膜的摩擦性能。将润滑油涂覆于阳极氧化氮化钛薄膜表面，构建三位一体的复合润滑体系，贫油条件下的摩擦实验结果表明，润滑油由于在不同材料表面的较强浸润作用，其会自动聚集在摩擦接触区域，同时表面凹坑结构贮存的润滑油也会形成微动压效应，以改善复合体系的整体润滑性能。此外由于贫油状态下润滑油的逐渐挥发和缓慢氧化，摩擦接触区域最终会形成类油脂的润滑介质，其可在润滑油挥发缺失的条件下继续发挥作用，延长复合体系的磨损寿命。