课题基金 / 基金详情

航天器钛合金表面强韧-润滑梯度涂层构筑及其表界面行为研究

批准号:
52075521
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
徐书生
学科分类:
摩擦学及机械表界面科学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐书生

项目摘要

结项摘要

徐书生的其他基金

相似基金

相关文献

中文摘要
单一强韧、或润滑防护难以满足航天器轻量化钛合金运动部件表面对高承载、耐磨、减摩的综合性能需求。本项目拟借助等离子渗氮/渗碳结合气相沉积技术在涂层结构及其表界面特性方面高度可调的突出性优势,设计发展钛合金表面强韧-润滑梯度涂层;探讨模拟空间环境条件交变耦合摩擦过程诱导的润滑表层重构行为规律及其对低摩擦、高耐磨、低(摩擦)噪声性能的影响机理;研究强韧-润滑子层界面、强韧子层-钛合金基体界面间的结构与力学适配行为,揭示其对摩擦学性能的影响规律;基于涂层生长热力学与动力学理论、涂层接触力学、以及涂层拟服役空间环境下的性能需求,优化梯度涂层组分与结构,实现对梯度涂层结构、界面结构与力学适配以及跨环境适应性能的精确调控,赋予钛合金表面强韧、耐磨、低摩擦、低噪声、跨环境适应性能的有效统一。研究工作将为我国未来航天工程轻合金运动部件的表面润滑防护提供理论依据和技术支撑。
英文摘要
The high strength-to-weight ratio titanium alloy moving components in the coming spacecraft asks for a package of high bearing performance, high wear resistance and low friction behaviors, the need of which can’t be met by the simplex coating only with high strength-toughness, or lubrication performance. To sort out this fundamental scientific problem, we are planning to design and construct the gradient coating consisting of the underlying strength-toughness sub-layer and top lubrication sub-layer, via a duplex technology of plasma nitriding/carburizing and vapor deposition, which possesses the highly adjustable advantage for the coating structure and surface/interface behaviors. The restructure behaviors of the lubricant layer surface caused by rubbing under the simulated variable space environments will be systemically studied to reveal the mechanism of the effect of restructure behaviors on the friction, wear and rubbing noise of coating. Furthermore, the coating adaptive behaviors of structure and mechanical properties of the interfaces between strength-toughness sub-layer and lubrication sub-layer, and the one between strength-toughness sub-layer and titanium alloy substrate will be studied to clarify the effect of the adaptive behavior on the tribological performances under the simulated variable space environments. On basis of the thermodynamic and kinetic theories of film growth in plasma, contact mechanics of coating and the integrate requires of excellent performances of lubricant spacecraft coating under the service environment, the composition and structure of coating will be further tailored to optimize the structure, the interface behaviors (between strength-toughness sub-layer and lubrication sub-layer, and the one between strength-toughness sub-layer and titanium alloy substrate) and the excellent environmental adaptability to finally endow the high strength/toughness, high wear resistance, low friction, low rubbing noise, good environmental adaptability of coating. Our aim is to develop high performance gradient coating to provide the theory basis for the advanced material and technology for some light alloy moving components in the coming spacecraft in China.
现代航天器动力装置正朝着轻量化的方向发展,对零部件的承载要求愈为苛刻。针对有潜力作为航天器运动部件的钛合金材料,有关其表面强韧和润滑防护方面的研究依然缺乏系统性,在钛合金表面防护研究中遇到的诸多基础科学问题与技术难题,始终阻碍着它作为航天器轻量化运动部件材料的应用。传统的PVD技术制备的减磨耐磨涂层与基体材料的热物性质、力学性质等方面存在较大差异,导致硬质涂层在服役过程易出现结合力不足、界面应力集中而导致的疲劳剥落等问题,严重影响涂层服役过程中的长期可靠性与使用寿命。.本课题在钛合金表面成功构建了强韧-润滑涂层一体化体系,通过优化等离子渗氮技术工艺,制备出具有高承载的强韧子层,而后采用物理气相沉积方法构筑润滑子层,形成了梯度化、可调控的智能涂层。研究发现,离子渗氮能显著提高TiN涂层与基体的结合性能,增强基体硬度,有效支撑表层TiN涂层,渗氮处理后的样品相比较于TiN-TC4 样品具有更低的磨损率与更长久的服役寿命。通过控制基体的表面粗糙度,对其进行纹理化,明确了基体表面形貌对梯度涂层组织结构、界面力学适配行为与润滑子层重构行为对涂层摩擦学性能影响规律。通过多弧离子镀和斜角沉积相结合的方法制备了具有柱状结构的多孔 TiCN 涂层,为MoS2的智能化存储与释放以及润滑子层形成提供载体。基于此,在单一湿度下和干湿转变的环境下对复合涂层进行了摩擦磨损性能研究,均表现出较优异的摩擦学性能。.根据上述研究内容,钛合金表面强韧-润滑防护体系可应对多种使用环境,针对传动零部件使用过程中面临的复杂服役环境均有良好的保护效果。同时利用离子渗氮方法制备梯度涂层的设计理念也有望拓展氮化物涂层的应用范围,减少传统硬质膜层由于膜基结合力差,界面处因应力集中问题而引起的失效问题,为陶瓷涂层的制备方法打开新思路。本研究工作对提高我国在该研究领域的国际竞争力和抢占该学科前沿领域的制高点,满足我国航天器轻量化钛合金运动部件的表面防护需求方面具有重要的理论意义和应用价值。
航天器钛合金表面强韧-润滑梯度涂层构筑及其表界面行为研究
航空动力系统用WS2薄膜基固-油复合润滑体系的构筑及润滑效应
国内基金
海外基金