涂层显微结构与表面纹理织构耦合的低摩擦效应及其机理

以往的研究，主要强调通过提高涂层硬度而增加耐磨性，然而，从摩擦学的观点，理想的表面涂层应该是既有高硬度又可实现低摩擦。项目拟采用超音速喷涂技术与激光微造型技术的复合，探索低摩擦耐磨涂层设计及制备新方法。采用正交试验方法，研究强耦合状态下低摩擦涂层的磨损行为和磨损机制，并通过对涂层表面膜的形成和消亡规律、不同磨损失效形式的转变机制和表层梯度结构摩擦学行为的系统研究，阐明低摩擦涂层的摩擦磨损机理。采用 BP神经网络建立涂层磨损量、摩擦系数与多学科因素的非线性关系，预测引起涂层显微结构变化导致磨损失效形式转变的模型。运用热力学和动力学理论分析表层化学反应及其过程，研究高温环境下涂层的显微组织演变规律、涂层表面物理吸附与化学反应、转移膜组成和接触界面耦合效应，从而揭示涂层显微结构与表面纹理织构耦合的低摩擦效应及其机理，涂层摩擦磨损性能与结构/尺寸间的构性关系，为项目工程实践提供理论支撑和技术指导。

根据摩擦学理论，通过在基体表面制备低剪切应力的固体润滑涂层改善摩擦副的磨损状态，来提高摩擦副的寿命是一种有效的方法。理想的表面涂层应该是既有高硬度又可实现低摩擦。(1) 项目根据固体润滑的基本原理、固体润滑涂层的组成原则和基本设计依据，对润滑耐磨涂层进行了组成设计和工艺设计，确定的基材组元、润滑组元和辅助组元分别为：KF-301 、WS2和La2O3。(2) 项目采用超音速喷涂技术与激光微造型技术的复合，制备了低摩擦润滑耐磨涂层。采用正交试验方法，研究了强耦合状态下低摩擦涂层的磨损行为和磨损机制，并通过对涂层表面膜的形成和消亡规律、不同磨损失效形式的转变机制、高温摩擦过程热应力和表层梯度结构摩擦学行为的系统研究，阐明了涂层磨损过程中的自修复机制、复合涂层润滑减摩机理和低摩擦涂层的摩擦磨损机理。表明涂层与基体结合紧密，润滑膜能进行连续润滑作用，在对磨过程中能在对偶件表面形成转移润滑膜，降低磨损。KF-301+La2O3+WS2复合涂层的磨损失效形式主要为疲劳磨损、磨粒磨损和粘着磨损。(3) 项目研究了四种不同（凹坑、菱形、平行和间断）轨迹部分激光重熔KF301/WS2润滑耐磨涂层的摩擦学特性，表明不同织构化图案对涂层表面摩擦因数、摩擦量有一定的影响，摩擦学性能由高到低依次为凹坑、菱形、平行和断纹纹理。(4) 项目采用正交试验方法对影响涂层摩擦学性能的因素进行分析，确定较优的配方组合。以实验数据为基础，以温度、摩擦时间、润滑剂含量和表面微造型为输入量，摩擦系数和磨损量为输出量，建立了一个4×7×2的三层BP神经网络，通过网络模型对样本数据进行训练学习，然后用训练好的网络对涂层进行摩擦磨损性能的预测分析。表明：当温度在300℃~600℃时，磨损量和摩擦系数随着温度的不断升高而增大，但增长较缓慢，而当温度在600℃~750℃时，摩擦量和摩擦系数随着温度升高增长较快。在同一温度和同一WS2含量的情况下，不同微造型面的摩擦磨损性能从高到低依次是凹坑、菱形、平行、断纹。温度和表面微造型相同时，WS2含量为30%时的磨损性能要比WS2含量为20%时稍好一些。WS2含量为40%时，摩擦性能最差。当配方组合为润滑剂含量30%，表面微造型为凹坑时，涂层的摩擦磨损性能较好一点。通过三层BP神经网络的分析，预测结果和试验结果总体上拟合的比较好，预测结果所反映的规律和试验结果所反映的规律吻合，