球冠织构表面离子束增强沉积复合薄膜研究

气体离心机是铀浓缩工厂的主要设备，而轴尖-宝石枢轴承是气体离心机的关键部件，研究提高其承载力及磨损寿命的离子注入及离子束表面强化技术对开发具有更高承载力和更长寿命的气体离心机用轴承具有重要价值。.发展轴尖球冠表面纹理织构新方法，开展织构表面Ti/TiN/TiNxCy/DLC薄膜沉积强化实验研究，着重提高复合薄膜与碳钢基体结合强度，研究薄膜基体界面及过渡层的形成机制、膜基结合强度改善的机理。建立离子束对特定几何、尺寸特征的纹理表面轰击作用模型，建立纹理界面结合能计算模型，建立膜/基结合强度分析模型。.利用先进的表面性能显微分析仪器，描述并评价纹理（螺旋纹、环形波纹及类疲劳点蚀纹）织构表面Ti/TiN/TiNxCy/DLC复合薄膜的物理化学性能和机械性能。探寻轴尖纹理织构球冠表面离子束辅助沉积复合薄膜的优化工艺，为离子束表面强化技术应用于气体离心机部件制造奠定基础。

轴尖-宝石枢轴承是同位素分离离心机的关键部件，研究提高其承载力及磨损寿命的离子注入及离子束表面强化技术对开发具有更高承载力和更长寿命的离心机用轴承具有重要价值。. 探索了工具钢表面微米尺度的点纹、波纹、放射纹理织构的激光微细加工方法。分析了Ti/TiN/TiNxCy过渡层调制方式对薄膜与基底结合力的作用机制。分析纹理球冠表面薄膜/钢基界面生成机制，初步建立膜/基界面结合强度分析的理论模型。提出了适合于球冠纹理表面碳钢表面离子注入、离子束增强沉积TiN及DLC覆膜工艺。. 表面镀膜、织构及表面织构与镀膜复合处理方式得到轴尖样品69个，进行了1760小时的磨损测试。建立了轴尖-宝石轴承旋转磨损试验专门装置，提出了变载荷摩擦系数测量新方法，为轴承摩擦学性能提供了判据，测试表明，油浴润滑轴尖宝石轴承摩擦系数为0.2-0.05。. 不同表面纹理参数的多个轴尖的磨合磨损实验，得到了油浴润滑条件下宝石枢轴承轴尖靶环状优化织构参数。对沉积TiN薄膜和DLC薄膜的多个样品进行了的磨损实验，结果表明选用特定的多层TiN薄膜沉积后枢轴抗磨性能有明显提升，DLC薄膜因膜-基结合力不足，目前还难以应用于轴尖-宝石轴承。. 选用经磨合过程的已织构轴尖进行离子注入和多层TiN薄膜沉积，复合表面处理后的枢轴轴尖表层镀膜在高速磨损过程中仍得到了很好的保持，同时减缓了表面织构形貌的磨损过程。对复合表面处理的作用机理和效益进行了探讨，初步解释了特定条件下复合表面处理枢轴所表现出的优越性能。. 基于大量的磨损表面显微分析，揭示获得了轴尖磨损的磨粒磨损、疲劳磨损和粘着磨损的三种机理，并依据磨损进程提出了磨损指数的新概念。. 为了解磨损过程中织构化轴尖边缘部分应力变化规律，采用ANSYS对不同磨合和接触阶段枢轴边缘结构受到的应力进行了数值计算，分析了随共型区域扩大磨损进程逐渐变慢的原因。