织构化金属表面纳米颗粒与TiN薄膜的摩擦学协同增强效应及机理

毕业设计(论文)开题报告

课题名称 织构化金属表面纳米颗粒与TiN薄膜的摩擦学协同增强效应及机理 

毕业设计的内容和意义 毕业设计的内容：

激光表面织构结构优化设计与成形。

织构化金属表面TiN薄膜的优化制备与表征。

织构化TiN薄膜的摩擦学性能及其与纳米颗粒的协同润滑效果测试。

磨损表面的组织、结构及力学性能等表征。

毕业设计的意义： 

针对目前机械设备关键零部件的减摩抗磨方法带来的效果并不十分理想的问题，本课题拟开展以结合多种表面磨损防护技术与方法达到的摩擦学协同增强效应的探索研究。采用活性屏离子渗氮技术在织构化铁基金属表面设计制备TiN薄膜润滑层并辅助以添加纳米颗粒的润滑油润滑，并系统的研究制备工艺参数对涂层成形质量的影响、评价其摩擦学协同增强效应及探讨其机理，目标是建立涂层组织结构与摩擦学性能之间的对应关系。该研究将织构润滑、薄膜润滑、颗粒润滑以及油润滑技术相结合，将为机械设备的润滑设计提供创新概念与理论、技术依据。同时，通过本课题的研究，将使笔者能够获得系统的科研训练，熟悉文献查阅、实验设计、理论分析等科研基本思路与方法，具备初步的科研素质，提高专业知识的综合运用及解决问题能力。

文献综述

在科技和经济高速发展的今天，机械工业发展迅猛，设备推陈出新，然而机械设备的运行环境却越来越苛刻，其关键零部件的摩擦磨损已经成为提高机械寿命的最大限制约因素。因而对于机械零件的要求也就越来越高，而减摩抗磨技术的创新与研发也随之成了国内外研究者们研究的热门课题。就目前国内外常用的减摩抗磨技术主要是通过两种途径：一是通过添加润滑材料来改善设备的摩擦性能；二是通过表面改性技术来改善其摩擦性能。相对而言表面改性技术的减摩抗磨效果更为显著和长久。如今，涂层和织构润滑是表面改性技术中最为常见的。其中TiN薄膜因其具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、耐腐蚀等特点是最早被广泛应用的。而织构化则是通过改变表面形貌来影响摩擦副表面接触状态和润滑状态达到减摩抗磨的效果[1]。随着纳米技术的不断发展，标志着摩擦学进入一个新阶段的纳米摩擦学也随之出现。对于纳米颗粒的减摩抗磨机制，主要有纳米微粒在摩擦力作用下的微滚动及在磨损表面形成修复层和沉积膜等观点[2]。虽然以上几种减摩抗磨技术都是现在运用最为方便，效果较好的，但总是具有局限性。因而本课题想通过结合织构润滑、颗粒润滑、TiN薄膜润滑以及油润滑四种润滑方式来研究其摩擦学协同增强效应，尝试获得更好的减摩抗磨效果。

1  TiN薄膜的研究概况

TiN薄膜因具有高硬度、低摩擦系数、良好的耐腐蚀和粘着磨损性能、优良的导电导热性等优点而被广泛应用于刀模具和各种耐磨零件及装饰涂层上，是第一个产业化并广泛应用的硬质薄膜材料[3-6]。 

1.1 TiN薄膜的制备方法及工艺

TiN薄膜的制备方法通常为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)两大类以及等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)。CVD的装备要求装置需要高温度、高真空，以及高温对基体回火温度的要求使其使用受到限制，相比较而言物理气相沉积技术是当下制备TiN薄膜最为常用的方法[7]。物理气相沉积技术主要包括：真空蒸镀技术、溅射技术以及离子镀技术[8-10]等。

a）真空蒸镀：目前国内外采用的真空蒸镀法大多为电子束蒸镀法而并非单纯的真空蒸镀。电子束蒸镀法则是通过电子束打到待蒸发材料表面来传递能量使待蒸发材料融化并蒸发的一种方法。相比溅射镀膜和离子镀，该方法制备的薄膜沉积率更高，膜层与基体结合力更强[6]。

b）溅射镀膜：溅射镀膜是指核能粒子轰击靶材表面使其原子（或分子）从表面射出并沉积到基片表面形成薄膜的方法[9]。溅射法包括直流溅