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VAlN基宽温域自适应固体润滑涂层的摩擦学行为研究

宽温域,自适应涂层,元素扩散,摩擦磨损

航空发动机中的刷式密封件、空气薄片轴承等关键零部件，长时间在室温到650℃的宽温域、低载、高速环境中服役，传统润滑材料不能满足实际应用需求，因此亟需设计制备软硬界面匹配、低摩擦、耐磨损的宽温域自适应涂层。VAlN涂层具有硬度高、耐磨损等优势，在高温环境诱导生成高离子势的Magneli相V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>，作为润滑相降低COF，赋予涂层高温自润滑性。然而涂层在中低温时摩擦系数高，耐受温度有待提高，高温润滑性能有待进一步改善，因此需要对VAlN硬质涂层改性，提升涂层的综合性能。本研究主要包括以下内容：（1）采用DCMS复合HiPIMS技术制备了VAlN/Ag多层结构涂层，界面匹配较好，涂层由形成生长孪晶的Ag层，fcc-VAlN的柱状晶组成。涂层在宽温域内表现出低摩擦性能，当温度从室温升到650℃，COF从~0.45降至~0.26，且COF和磨损率随旋转速度增加，分别降低至0.08和4.9×10<sup>-5</sup>mm<sup>3</sup>N<sup>-1</sup>m<sup>-1</sup>。揭示了宽温域摩擦过程中的元素扩散机制，及其对润滑相、涂层微结构演变机制的影响。在中低温环境，表面的Ag层作为润滑相降低COF，高温环境发生摩擦化学反应，原位生成Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/AgVO<sub>3</sub>-Ag<sub>3</sub>VO<sub>4</sub>/Ag多层结构，在摩擦过程中持续提供润滑相，有效降低高温COF，延长磨损寿命。同时，基于物相演变、磨痕形貌、涂层内部微观结构等表征，揭示了宽温域低摩擦机理。（2）设计阶段升温摩擦实验，模拟零部件在连续升温环境持续摩擦的实际工况，探讨在不同阶段的摩擦学性能和摩擦状态。发现在室温到650℃升温过程中，涂层整体表现出低摩擦、耐磨损的优异性能，实验数据表现出很好的复现性。表征了不同阶段温度下的磨痕形貌、物相结构、磨痕内微观结构变化，发现随温度持续升高，磨痕中的结构逐渐发生变化。摩擦状态由低温时的单层润滑，逐渐演变为中温时的多层复合润滑，最终在高温环境呈现出纳米层厚的液态润滑。同时，提出了基于多层结构涂层在宽温域内的摩擦机制。