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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