钛合金基材表面粗糙度对Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜性能的影响

为提高钛合金的抗冲蚀性能,采用真空阴极电弧离子镀技术在不同表面粗糙度(Ra)的TC4钛合金表面制备了Ti/Ti N/Zr/Zr N多层膜。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、划痕仪和砂粒冲刷试验仪分析了多层膜的截面形貌、微观结构、厚度、显微硬度、结合力和抗砂粒冲刷性能。重点研究了基体表面粗糙度对多层膜的结合力和抗砂粒冲刷性能的影响。结果表明,所得Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜厚度约为12μm,显微硬度大于3 000 HV,能显著地提高TC4钛合金基材的抗砂粒冲刷性能。在相同工艺条件下,基体表面粗糙度越小,其表面膜层的结合力和抗砂粒冲刷性能越佳。为获得综合性能良好的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜,TC4钛合金基体的表面粗糙度必须控制在≤1.60μm。     

氮氩流量比对玻璃基TiN薄膜的结构和硬度的影响

采用直流磁控溅射镀膜工艺,在不同的氮氩流量比条件下,制备了玻璃基TiN薄膜.通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM、EDS)、纳米显微硬度仪,研究了TiN薄膜的组织结构、物相组成、表面形貌、元素成份、维氏硬度,分析了氮氩流量比对TiN薄膜结晶取向、硬度的影响机理.结果表明,在低的氮氩流量比条件下,TiN薄膜以(111)晶面择优取向;随着氮氩流量比增加,择优取向由(111)晶面向(200)晶面过渡;氮氩流量比为1∶2时薄膜以(200)晶面择优取向;继续增加氮氩流量比(1∶2 ～2∶1),TiN薄膜衍射峰强度降低,晶粒尺寸减小;当氮氩流量比增加到2∶1时,薄膜开始呈现非晶态.随着氮氩流量比的增加,薄膜硬度呈现先增加后减小的趋势;当氮氩流量比为1∶1时,TiN薄膜以(200)晶面择优取向结晶,组织致密均匀,晶粒尺寸最小,具有最大的硬度值(825 HV),相比未镀膜的玻璃基片,硬度值增加了20.44％.     

氮氩流量比与基底温度对射频溅射TiN薄膜性能的影响

采用射频磁控溅射技术,以纯钛为靶材,氮气为反应气体,通过改变氮氩流量比与基底温度在304不锈钢及玻璃表面制备了不同的TiN薄膜.利用能谱仪、扫描电镜、台阶仪、四探针仪、划痕仪和纳米压痕仪对制备的所制薄膜的氮钛原子比、表面形貌、沉积速率、方块电阻、膜基结合力和纳米硬度进行表征.结果表明:随着氮氩流量比的增大,TiN的形貌先由四面锥体凸起结构逐渐过渡至柱状晶体堆积结构,然后转变为稀疏的液滴状颗粒结构,直至平整光滑,致密均匀.在氮气和氩气的流量分别为5.0 mL/min和50.0 mL/min的条件下,基底温度25～400°C范围内制备的TiN薄膜的结合力介于135.4 mN与210.2 mN之间.当基底温度为300℃时,薄膜的沉积速率最大,颜色最接近金黄色,氮钛原子比最接近1,结合力和纳米硬度也都最大.     

生物医用氮化碳薄膜的力学性能比较研究

使用磁控溅射法在生物医用NiTi合金基体表面制备了Ti／TiN、Ti／DLC以及Ti／CNx梯度薄膜,利用扫描电镜研究了薄膜的截面形貌,并使用划痕仪及摩擦磨损仪研究比较了薄膜的力学性能。结果表明：薄膜均表面平整,与基底结合紧密。Ti／CNx薄膜与NiTi合金基底的结合力大于Ti／DLC薄膜,略低于Ti／TiN薄膜。3种梯度薄膜均能有效改善NiTi合金的耐磨损性能,其中,Ti／CNx薄膜拥有最低的摩擦系数和最完整的磨损表面,耐磨性最好。     

高能量密度脉冲等离子枪在硬质合金刀具上沉积高硬耐磨涂层研究

用高能量密度脉冲等离子体枪，于室温下在硬质合金刀具基体上分别成功沉积了硬度高、耐磨损、膜基结合力强的TiN、TiCN和TiAlN薄膜。在优化的工艺条件下，所得TiN、TiCN、TiAlN薄膜纳米硬度分别可达27GPa、50GPa和38GPa；杨氏模量分别可达450GPa、550GPa、650GPa。纳米划痕实验临界载荷分别达90mN、110mN和100mN以上。切削实验表明，涂层刀具可用于高速切削，刀具后面磨损明显减小。刀具力学性能的改善归因于更优异力学性能涂层的沉积、良好的膜基结合力以及涂层特殊的显微结构。     

Ti／TiN多层膜显微结构的研究

用透射电镜研究了Ti/TiN多层膜的显微形貌,并用X射线衍射与透射电镜的微束电子衍射相结合的方法获得多层膜的晶体结构、相组成及其空间分布的信息。证明了Ti/TiN多层膜有明显的分层结构,在每对相邻的Ti层和TiN层之间,均存在Ti_2N界面过渡层,在膜基界面处存在FeTi过渡层。多层膜的晶粒呈纤维状,其尺寸随单层厚度的降低而减小,此即多层膜的晶粒细化效应,它伴随着膜层硬度的增加。     

Ag靶弧流对TiN/Ag多层膜结构和性能的影响

采用电弧离子镀技术,通过改变Ag电弧靶的弧流在医用不锈钢基底表面制备TiN/Ag多层膜,分析多层膜的微观结构,测试多层膜的厚度、结合强度和硬度,通过摩擦磨损实验测定多层膜的摩擦系数,研究了不同Ag靶弧流对多层膜结构和性能的影响规律。实验结果表明,在不同Ag靶弧流下,TiN/Ag多层膜有TiN(111)晶面和Ag(111)晶面择优生长。Ag靶弧流在一定程度上影响着多层膜中Ag的结晶度,当弧流为50 A时,Ag的结晶度达到最佳,此时多层膜的结合力最大,为45.33 N;多层膜的硬度达到最小值1 189.4 HV;多层膜的摩擦系数最小,为0.242。Ag靶弧流影响Ag层的结晶度,并且对多层膜的结合强度、硬度和摩擦系数具有明显影响。     

DLC层厚度对CNx/DLC多层膜结构及摩擦学性能的影响

采用直流磁控溅射法在硅基底上交替沉积类金刚石碳(DLC)和氮化碳(CNx)薄膜,制备了不同DLC层厚度的CNx/DLC纳米多层膜。使用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、X射线光电子谱、Raman光谱等测试手段表征了薄膜的微观组织形貌、化学成分和原子价键结构等。采用原位纳米压入技术、涂层附着力划痕仪、球盘式摩擦磨损试验机对薄膜的力学和摩擦学性能进行了测试。结果表明:所制备的CNx/DLC多层膜均为微晶或非晶结构,组织致密。随着DLC层厚度的减小,多层膜内sp3杂化键的含量先升高后下降,压应力由135 MPa增至538 MPa,结合力先上升后降低,而磨损率则呈相反变化趋势。多层膜在大气和真空中的摩擦因数约为0.17和0.15,DLC层厚度的影响很小。DLC层厚度为4.5 nm的多层膜的性能最佳,硬度可达44.1 GPa,最低磨损率为3.2×10-18m3/(N·m)。     

沉积偏压对脉冲激光沉积CN_x薄膜结构和性能的影响

采用脉冲激光沉积(PLD)法在不同直流负偏压下烧蚀石墨靶材,在单晶Si片上沉积CNx薄膜。利用X射线光电子能谱(XPS)、Raman光谱和扫描电子显微镜对薄膜的化学成分、价键状态、表面形貌进行了表征,并借助于涂层附着力自动划痕仪和纳米压痕仪分别测试了膜–基结合力及薄膜硬度。结果表明:偏压辅助PLD技术显著提高了薄膜的氮含量,膜–基结合力和沉积速率分别随着负偏压值单调增加和减少。结合XPS和Raman分析得出:当偏压Vb=–40 V时,价键摩尔含量x(sp3)和x(sp3)C—N达到最大值及D峰与G峰强度比ID/IG达到最小值(2.2)。薄膜中sp3杂化键比例的提升有助于CNx薄膜构建类金刚石结构和网状结构且薄膜硬度与x(sp3)和x(sp3)C—N值的变化呈现出了正比例关系。     

Si含量对电弧沉积TiAlSiN薄膜性能的影响

利用等离子体辅助电弧沉积技术制备了不同成分的TiAlSiN多元薄膜,并研究了Si含量对薄膜组织结构、显微硬度和耐磨性的影响。XRD物相分析表明:薄膜主要由AlN和TiN组成。随着膜层中Si含量的增加,薄膜的结构由明显的柱状晶转变为致密的玻璃态结构,显微硬度逐渐提高,耐磨性能得到明显改善。     

TiAlSiN多层梯度涂层力学及摩擦磨损性能试验研究

利用物理气相沉积(PVD)技术,基于阴极电弧技术在Si片、高速钢试片上制备了TiAlSiN多层梯度涂层。利用洛氏硬度计、X射线衍射仪、透射电子显微镜、纳米压痕仪对涂层的表面形貌、物相结构和力学性能进行表征。通过超精密三维表面轮廓光学测量仪、HSR-2M摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦磨损性能。试验结果表明TiAlSiN多层梯度涂层结构致密,各层间界面清晰,主要由柱状的面心立方结构的(Ti,Al)N相组成。涂层与基体的结合力达到工业等级HF1,具有良好的膜基结合力,其硬度为27.7 GPa,弹性模量为338.0 GPa,具有较高的硬度和弹性模量。TiAlSiN多层梯度涂层的摩擦系数为0.54,磨损率为7.06×10~3μm~3/(N·m),主要磨损机制为磨粒磨损和轻微粘着磨损。     

多弧离子镀TiCrSiCN硬质薄膜的微观结构与摩擦学性能

采用工业型多弧离子镀设备在4Cr5MoSiV1工业钢表面沉积TiCrSiCN硬质薄膜。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、显微硬度计、划痕仪和摩擦磨损仪分析了TiCrSiCN薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能。结果表明,TiCrSiCN薄膜为纳米晶和非晶的复合结构,其中的Ti(CN)和CrN纳米晶可显著提高硬度和耐磨性,而非晶相Si3N4与C起到减摩作用。高Cr和C含量的薄膜硬度高,与基材的结合力强,干滑动摩擦因数、干滑动磨损率和微磨料磨损率都明显降低,耐磨减摩效果好。     

氮气流量对磁控溅射TiN膜层色泽的影响

在国产SA-6T型离子镀膜机上利用反应直流溅射方法,在抛光后的W18Cr4V高速钢基体表面制备TiN膜层,考察氮气流量对薄膜色泽的影响。用扫描电镜对薄膜表面形貌进行观测,发现沉积的TiN膜层质量良好,无孔洞,表面平整、致密。采用色度计定量测试了TiN薄膜的色泽,并分析了氮气流量对色泽的影响。结果表明,氮气流量即沉积气压对装饰镀TiN薄膜的颜色有重要影响,通过调节氮气流量,可有效改变TiN膜层的色泽。TiN薄膜的颜色随氮气流量增大而加深。     

氮氩气流量比对磁控溅射氮化钛薄膜微观结构的影响

采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)研究了氮气流量(5、10、25、50 sccm)及氮氩气流量比(4∶1、3∶2、2∶3、1∶4)对磁控溅射TiN薄膜微观形貌和相组成的影响。结果显示,所得样品具有纳米级TiN薄膜的基本特征。当N2与Ar的总流量为5 sccm,而它们的流量比为4∶1时,可以制得品质较好的蓝紫色TiN薄膜。     

TiO_2纳米棒多孔光阳极复合薄膜的制备和表征

分别利用钛酸异丙酯和四氯化钛水溶液,采用水热合成法制备了锐钛矿型的球状氧化钛(Ti O2)纳米溶胶及Ti O2纳米棒。采用不同质量配比共混得到电流体动力学技术(EHD)用溶胶,利用EHD技术在涂有Ti O2致密膜的导电玻璃基体上成膜,成功制备Ti O2纳米棒多孔光阳极复合薄膜。薄膜存在纳米至亚微米尺寸的多级孔道。     

电弧离子镀不同色泽TiN薄膜的工艺研究

采用电弧离子镀的方法,在硅片上制备TiN仿金装饰膜层,主要研究氮气分压和基体偏压两个工艺参数对TiN薄膜色泽的影响。结果表明,氮气压强对TiN薄膜的色泽有明显的影响和控制作用。随着氮气分压的增大,薄膜的色泽由浅黄色向红棕色变化。实验发现,基体偏压对膜层的色泽也有一定的影响,当氮气分压一定时,施加偏压所得TiN薄膜比不施加的颜色更浅。可见,通过调节基体偏压和氮气流量,可以获得所需颜色的TiN薄膜。     

氧化时间对钛合金微弧氧化膜性能的影响

研究了在含钙、磷的电解液中氧化时间对Ti6Al4V钛合金微弧氧化生物活性膜的厚度、粗糙度、表面形貌、相成分及氧化膜与基体结合力的影响。结果表明,氧化t低于12min时,随着氧化时间增加,微弧氧化膜的厚度增加、表面粗糙度增大、微观孔洞变大、膜层中钙磷含量及钙磷比增大、氧化膜与基体的结合力增强。氧化t为12min时膜层与基体的结合力较好,约30N。氧化t超过12 min以后,膜层表面出现裂痕,与基体的结合力减小。     

电刷镀(Ni-P)-TiN纳米微粒复合镀层的组织与力学性能

采用直流电弧等离子体气相蒸发法,在氢气与氮气混合气氛中蒸发块体Ti金属制备TiN单晶纳米颗粒,以此纳米颗粒为添加粒子,利用电刷镀方法制备出(Ni-P)-TiN纳米微粒复合镀层。对纳米颗粒及其复合镀层进行了物相结构、表面形貌及微观组织分析,并测试了镀层显微硬度和耐磨性能。研究结果表明:TiN纳米颗粒具有立方晶体结构,(Ni-P)-TiN纳米微粒复合镀层的硬度较普通Ni-P合金镀层提高近3倍,耐磨性能也有显著提高。     

纳米氮化物填充PTFE复合材料的性能研究

对纳米AlN、Si3N4、TiN填充的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料进行了力学性能与摩擦磨损性能测试,研究了纳米粒子种类和含量对PTFE力学性能和摩擦磨损性能的影响,用扫描电子显微镜(SEM)对拉伸断面形貌进行观察,探讨了复合材料的相关机理。研究结果表明,纳米AlN、Si3N4、TiN的填充均能提高PTFE的硬度和耐磨性;PTFE纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均有所下降,PTFE/TiN复合材料的降幅最小;3种纳米填料均使PTFE的冲击强度下降,PTFE/TiN和PTFE/Si3N4复合材料冲击强度的降幅较小;SEM分析表明,纳米TiN在PTFE基体中有较好的分散性,与PTFE基体界面结合较好,纳米AlN、Si3N4在PTFE基体中的分散性较差。     

基于紫外光辐照改性自组装单层膜图案化表面的铁酸铋薄膜制备与表征

采用自组装单层膜(self-assembled monolayers,SAMs)技术在玻璃基板表面制备了十八烷基三氯硅烷(octadecyltrichlorosilane,OTS)-SAMs,将OTS-SAMs基体在光掩膜覆盖下用紫外光进行刻蚀,得到含有亲水性和疏水性区域的模板,利用液相沉积法在OTS-SAMs模板表面制备了铁酸铋(BiFeO3)图案化薄膜。通过接触角仪、原子力显微镜、X射线衍射、扫描电镜、X射线能谱仪等测试手段对OTS膜和BiFeO3薄膜进行表征。结果表明:以OTS为模板利用液相沉积法制备出边缘轮廓清晰、粗糙度较小,与基板结合力较强,条纹宽度为10～20μm的BiFeO3图案化薄膜。