强流脉冲电子束与离子注入/渗复合预处理对TC4基体上GLC自润滑薄膜摩擦学性能的影响
王晓婷¹，李刘合^1,2*，唐令¹，罗阳¹，李花¹，邓大琛¹，冯蓬勃²，孙玉强²
（1. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京，100191；
2. 北歌研究院，潍坊，261000）

研究背景：TC4钛合金由于自身存在的低硬度、低弹性模量和耐磨损性能差的问题，极大地限制了TC4钛合金结构件在摩擦磨损条件下，特别是高速重载的微动磨损工况下的长期稳定服役。GLC自润滑薄膜有望成为钛合金结构件微动磨损失效的理想防护材料，但仍面临着薄膜内应力大，膜基结合不足的难题。以往的研究认为，基体表面的残余压应力能够提高对上层薄膜的承载能力和膜基界面结合强度，改善薄膜的耐磨性和疲劳性能。与之相反，基体表面的残余拉应力不仅会削弱基体的硬度和承载能力，还可能在膜基界面处诱导产生微裂纹，最终损害薄膜的力学性能。因此，到目前为止几乎没有研究采用在基体表面引入拉应力的预处理方法调控GLC薄膜的摩擦学行为。
研究内容与结论：强流脉冲电子束（HCPEB）能够通过“快速淬火”效应在材料表面引入较大的残余拉应力。本文通过调控HCPEB处理的脉冲数目，在TC4基体表面引入了不同残余应力，探究了电子束辐照对基体表面形貌、粗糙度和硬度的影响；然后在电子束改性的基体上复合N离子注/渗和GLC自润滑薄膜，探究了基体表面残余应力变化特征，以及基体表面状态对薄膜微观结构、形貌、结合强度和摩擦学性能的影响。试验结果表明，N离子注/渗能够显著降低TC4基体表面的拉应力水平，而薄膜沉积对基体表面应力状态的影响几乎可以忽略；GLC薄膜中sp² C的含量为60.2%-62.7%，表明薄膜具有较高的石墨化程度；由于有限的薄膜厚度，所有薄膜仍然保留了相应基体的整体形貌特征，但对电子束辐照后基体表面与蒸发有关的孔洞起到了良好的密封作用；尽管基体表面处于残余拉应力状态，HCPEB复合N离子注/渗技术仍可赋予GLC薄膜优异的膜基结合强度，使得薄膜表面摩擦系数降低至~ 0.04，磨损率相对基体减少大于3个数量级。
研究价值：本文证实了强流脉冲电子束与离子注入/渗复合预处理技术能够提高GLC薄膜在TC4基体上的结合强度，进而改善TC4耐磨性能，突破了以往研究中难以采用在基体表面引入拉应力的预处理方法增强薄膜摩擦学性能的局限性。有望拓展TC4结构件在摩擦磨损，特别是高速重载微动磨损条件下的应用范围，并为相关研究提供了新的思路。
关键词：HCPEB；离子注入；GLC薄膜；残余应力；结合强度；耐磨性
资金支持：
本研究由国家自然科学基金（NSFC 12305278；NSFC 12275014）、国家科技重大专项（Y2022-IV-0001-0018）、中国航空发动机集团产学研合作项目（HFZL2023CXY014）、国家科技重大专项（2024ZD0710301）、泰山产业领军人才工程等联合资助。

 

HCPEB；离子注入；GLC薄膜；残余应力；结合强度；耐磨性