第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 活塞环磨损工况及失效机理分析 2
1.2.1 活塞环的服役工况分析 2
1.2.2 活塞环的磨损特点与分类 3
1.2.3 活塞环的磨损机理分析 3
1.3 发动机活塞环表面处理技术的研究现状 4
1.3.1 电镀 4
1.3.2 氮化处理 5
1.3.3 热喷涂 6
1.3.4 气相沉积技术 7
1.4 多弧离子镀技术原理及特点 9
1.4.1 离子镀技术的发展 9
1.4.2 多弧离子镀的基本原理 10
1.4.3 多弧离子镀的特点 11
1.4.4 多弧离子镀技术发展应用前景 11
1.5 CrN及其复合膜的性能与研究进展 12
1.5.1 CrN薄膜的结构与性能 12
1.5.2 CrN薄膜的研究进展 13
1.5.3 CrN薄膜的摩擦磨损与抗高温氧化性能 13
1.5.4 CrN基复合膜的研究进展 14
1.6 研究内容 14
第2章 CrN薄膜的制备与性能研究 17
2.1 N2浓度对CrN薄膜性能的影响 17
2.1.1 工艺参数 17
2.1.2 沉积速率分析 18
2.1.3 成分与相结构分析 19
2.1.4 表面和断面形貌分析 21
2.1.5 纳米硬度和弹性模量分析 23
2.2 负偏压对CrN薄膜性能的影响 24
2.2.1 工艺参数 24
2.2.2 镀前轰击对CrN薄膜生长的影响 25
2.2.3 沉积速率分析 26
2.2.4 成分与相结构分析 27
2.2.5 表面形貌与粗糙度分析 30
2.2.6 纳米硬度和弹性模量分析 31
2.2.7 结合性能分析 32
2.3 弧电流对CrN薄膜性能的影响 34
2.3.1 工艺参数 34
2.3.2 沉积速率分析 34
2.3.3 相结构分析 35
2.3.4 表面形貌与粗糙度分析 36
2.3.5 纳米硬度分析 38
2.4 Cr/CrN纳米多层膜的制备与性能研究 38
2.4.1 工艺参数 39
2.4.2 Cr/CrN多层膜的显微组织结构分析 39
2.4.3 Cr/CrN多层膜的力学性能分析 41
2.4.4 Cr/CrN多层膜的残余应力与结合强度分析 43
2.4.5 Cr/CrN多层膜的摩擦磨损性能 47
2.5 小结 50
第3章 CrN基复合膜的制备与性能研究 51
3.1 CrTiN复合膜的制备与性能研究 51
3.1.1 试验方法 51
3.1.2 CrTiN复合膜的沉积速率 51
3.1.3 CrTiN复合膜的成分分析 52
3.1.4 CrTiN复合膜的相结构分析 53
3.1.5 CrTiN复合膜的表面形貌分析 55
3.1.6 CrTiN复合膜的纳米硬度分析 56
3.2 CrAlN复合膜的制备与性能研究 58
3.2.1 试验方法 58
3.2.2 CrAlN复合膜的沉积速率 58
3.2.3 CrAlN复合膜的成分分析 59
3.2.4 CrAlN复合膜的相结构分析 59
3.2.5 CrAlN复合膜的表面形貌分析 60
3.2.6 CrAlN薄膜的纳米硬度和弹性模量分析 61
3.2.7 CrAlN薄膜的抗高温氧化性能 62
3.3 添加Ti、Al元素对CrN薄膜结构与性能的影响 63
3.3.1 试验方法 63
3.3.2 CrTiAlN复合膜的沉积速率 64
3.3.3 CrTiAlN复合膜的成分分析 64
3.3.4 CrTiAlN复合膜的相结构分析 65
3.3.5 CrTiAlN复合膜的表面形貌分析 66
3.3.6 CrTiAlN复合膜的纳米硬度和弹性模量分析 66
3.4 负偏压对CrTiAlN复合膜性能的影响 68
3.4.1 试验过程 68
3.4.2 负偏压对CrTiAlN复合膜沉积速率和硬度的影响 68
3.4.3 负偏压对CrTiAlN复合膜结合强度的影响 68
3.4.4 CrTiAlN复合膜层表面和截面形貌分析 69
3.4.5 CrTiAlN复合膜的成分与相结构分析 70
3.4.6 负偏压对CrTiAlN复合膜磨损性能的影响 71
3.5 基体旋转速度对CrTiAlN复合膜性能的影响 72
3.5.1 试验过程 72
3.5.2 显微组织分析 73
3.5.3 相结构分析 73
3.5.4 晶粒尺寸分析 73
3.5.5 纳米硬度和弹性模量分析 74
3.5.6 残余应力与结合强度分析 74
3.6 CrTiAlN复合膜与其他薄膜的性能比较分析 75
3.6.1 薄膜表面粗糙度比较分析 75
3.6.2 薄膜表面硬度与抗塑性变形能力比较分析 75
3.6.3 薄膜结合强度与残余应力的比较分析 76
3.7 小结 77
第4章 CrN基复合膜的抗高温腐蚀行为研究 78
4.1 前言 78
4.2 CrN基复合膜的抗高温氧化行为研究 78
4.2.1 试验方法 78
4.2.2 CrN基复合膜的氧化动力学分析 78
4.2.3 CrN基复合膜氧化层的形貌与成分分析 81
4.2.4 CrTiAlN复合膜氧化产物的相组成 84
4.2.5 CrTiAlN复合膜氧化层的形貌与成分分析 84
4.2.6 讨论 88
4.3 CrN基复合膜的热腐蚀行为研究 89
4.3.1 试验方法 89
4.3.2 热腐蚀动力学 90
4.3.3 热腐蚀后表面产物的显微组织分析 90
4.3.4 讨论 97
4.4 小结 99
第5章 CrN基复合膜的摩擦磨损性能研究 100
5.1 CrN基复合膜的滑动磨损性能研究 100
5.1.1 润滑条件对CrN基复合膜滑动磨损性能的影响 100
5.1.2 滑动频率对CrN基复合膜滑动磨损性能的影响 103
5.1.3 载荷对CrN基复合膜滑动摩擦磨损性能的影响 104
5.1.4 讨论 106
5.2 CrN基复合膜的高温摩擦磨损性能研究 106
5.3 活塞环／缸套摩擦副摩擦学匹配优化试验研究 108
5.3.1 坦克发动机活塞环／缸套摩擦副的磨损失效分析研究 109
5.3.2 发动机缸套内壁表面改性工艺研究 110
5.3.3 缸套内壁激光渗硫复合层的组织结构与性能研究 114
5.3.4 活塞环／缸套摩擦副优化匹配试验 117
5.4 讨论 125
5.4.1 活塞环薄膜化学属性的影响 125
5.4.2 活塞环薄膜物理属性的影响 125
5.5 小结 127
第6章 CrMoN/MoS2微纳米固体润滑复合膜显微组织与成膜机理 129
6.1 CrMoN固体润滑复合膜的制备与性能 129
6.1.1 试验方法 129
6.1.2 CrMoN复合膜的显微组织结构 130
6.1.3 CrMoN复合膜的力学性能 137
6.2 CrMoN/MoS2固体润滑复合膜的制备及显微组织 138
6.2.1 试验方法 138
6.2.2 成分和相结构 139
6.2.3 形貌分析 144
6.3 成膜机理 146
6.3.1 薄膜中元素沿深度的分布 146
6.3.2 成膜机理分析 147
6.3.3 MoS2在薄膜中的分布规律研究 147
6.4 CrMoN/MoS2固体润滑复合膜的硬度和结合强度 148
6.4.1 纳米硬度分析 148
6.4.2 结合强度分析 150
6.5 小结 152
第7章 CrMoN/MoS2微纳米固体润滑复合膜的摩擦学行为 153
7.1 试验方法 153
7.2 CrN基固体润滑复合膜的摩擦学试验 153
7.2.1 摩擦系数 153
7.2.2 磨损量 154
7.2.3 磨损表面的形貌及元素组成 154
7.2.4 磨损表面元素的化学态 157
7.2.5 渗硫层减摩作用机理 160
7.2.6 Mo含量对薄膜摩擦学性能的影响 160
7.2.7 渗硫条件对薄膜摩擦学性能的影响 165
7.3 小结 171
第8章 CrN基复合膜活塞环的台架考核试验研究 172
8.1 试验方法 172
8.1.1 活塞环与缸套样品准备 172
8.1.2 试验设备 172
8.1.3 试验过程 173
8.2 试验数据分析 174
8.2.1 活塞环磨损尺寸分析 174
8.2.2 缸套内壁磨损尺寸分析 176
8.3 台架试验前后活塞环表面薄膜的性能比较分析 177
8.3.1 厚度比较分析 177
8.3.2 硬度分析 177
8.3.3 残余应力分析 178
8.3.4 结合强度分析 179
8.4 摩擦副磨损机制分析 179
8.4.1 电镀Cr活塞环／中频淬火缸套摩擦副 179
8.4.2 CrN薄膜活塞环／激光渗硫缸套摩擦副 181
8.4.3 CrTiAlN复合膜活塞环／激光渗硫缸套摩擦副 182
8.5 小结 183
参考文献 184