磁控溅射Cr/CrN和Cr/CrN/CrAlN涂层的抗高温氧化性能

为了提高航空紧固件涂层的高温工况防护能力,采用磁控溅射技术在钛合金表面分别制备 Cr/ CrN 交替涂层和 Cr/ CrN / CrAlN 涂层,研究氧化时间和氧化温度对涂层高温氧化性能影响。 利用 SEM、EDS 和 XRD 进行微观形貌和物相成分分析,采用热重法分析氧化增重量( w) 和氧化速率常数( k) ,使用显微硬度计测试涂层高温氧化后硬度。 结果表明:随着氧化时间和氧化温度的增加,涂层硬度均降低,但 Cr/ CrN / CrAlN 涂层下降趋势更缓; 两种涂层的 w 和 k 均上升,其中 Cr/ CrN / CrAlN 涂层 w 和 k 增幅均低于 Cr/ CrN 交替涂层,950 ℃ 氧化 96 h 后 Cr/ CrN / CrAlN 涂层和 Cr/ CrN 交替涂层的 w 值分别为 40 mg / cm ² 和 135. 7 mg / cm ² ,其对应的 k 分别为 0. 1996 和 0. 4092,说明 Cr/ CrN / CrAlN 涂层抗高温氧化性更好。 Cr/ CrN / CrAlN 涂层活化能 E_a 值比 Cr/ CrN 交替涂层高 48. 5%,Cr/ CrN / CrAlN 涂层在高温下产生 Cr₂O₃ 和 Al ₂O₃ 的混合氧化物,结构更致密,Cr/ CrN / CrAlN 涂层抗高温氧化性能高于 Cr/ CrN 交替涂层。     

调制比对Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜结构及性能的影响

目的 探究Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜的最佳调制比.方法 利用电弧离子镀技术,在TC4钛合金上制备了不同调制比的Cr/CrN/Cr/CrAlN多层膜.利用扫描电子显微镜观察膜层表面和截面形貌;用Image-Pro分析软件对表面的大颗粒进行定量分析;利用X射线衍射法表征膜层的晶体结构;采用维氏硬度计测量膜层的显微硬度;采用划痕试验仪测量膜层与基体之间的结合力(临界载荷);通过基片弯曲法测量并计算得到膜层的残余应力;利用根据ASTM G76-05标准特制的AS600-喷砂试验机进行了抗冲蚀性能测试;采用三维表面轮廓仪测量冲蚀坑深度.结果 膜层表面质量和生长取向与LCr/CrN:LCr/CrAlN调制比密切相关,随着Cr/CrN比例的增加,膜层表面质量越来越好,择优取向由(111)晶面转为(200)晶面.多层膜的硬度随Cr/CrN比例的增加,呈下降趋势,结合力、残余应力和韧性则随之呈先升后降的趋势,并在LCr/CrN:LCr/CrAlN为1:2时,达到最佳.多层膜的抗砂粒冲蚀性能变化与力学性能变化一致,在LCr/CrN:LCr/CrAlN为1:2时达到最佳,其抗冲蚀能力是TC4基材的3倍以上,多层膜呈典型的脆性断裂失效形式.结论 在调制比LCr/CrN:LCr/CrAlN=1:2时,膜层获得最佳的抗冲蚀性能.     

TiAlN/CrN多层膜的组织结构及耐蚀性机理

目的研究Ti AlN/CrN多层膜及Ti AlN、Cr N单一膜层的微观组织和电化学性能区别,分析不同结构薄膜材料的耐腐蚀性影响因素。基于电化学参数、组织结构和腐蚀形貌特征,为开发新型腐蚀性薄膜提供理论依据。方法采用多弧离子镀方法,在316不锈钢基底上先沉积150 nm Cr薄膜作为过渡层,然后交替沉积Cr N薄膜和Ti AlN薄膜,制备单层厚度为10 nm的Ti AlN/CrN多层膜。作为对比,制备单一Ti AlN、CrN薄膜。通过SEM、XRD表征薄膜断面形貌、组织结构,并分析耐蚀机理,结合极化曲线和阻抗谱对三种涂层进行电化学性能分析,最后对涂层进行浸泡腐蚀试验。结果 Ti Al N/Cr N纳米多层膜为面心立方结构,呈现共格外延生长,且呈(200)择优取向。纳米多层膜的动电位极化曲线测量结果与不锈钢基体和单层薄膜相比,其腐蚀电位正移为-0.36 V,腐蚀电流密度降低为0.501μA/cm~2,极化电阻为120 kΩ·cm~2。阻抗谱试验结果表明,相比较于单层膜和基体,Ti Al N/Cr N多层膜的CPE值最低,为29.83×10~(-6)Ω~(-1)·cm~(-2)·sn,n值为0.922,电阻为1.50×1~06Ω·cm~2。腐蚀形貌分析可得出,多层薄膜腐蚀后表面形貌与沉积态涂层形貌最为接近,认为其具有较高的耐腐蚀性。结论纳米层状结构改变了单一薄膜的原始生长模式,抑制了粗大柱状晶的生长,减小了薄膜的固有缺陷、晶粒尺寸,对薄膜的耐蚀性有正面积极的作用。     

多界面CrN/CrAlN涂层在海水环境中的腐蚀磨损性能研究

目的 通过多界面结构CrN/CrAlN涂层来提高316不锈钢在海水中的耐腐蚀磨损性能.方法 采用多弧离子镀技术在316不锈钢基底表面制备CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层.利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等设备表征涂层的微观结构和相组成;借助纳米压痕仪及划痕仪分别测...     

HIPIMS技术制备CrN及CrAlN涂层的性能

用高能脉冲靶和双极脉冲靶共溅射的方式,采用高功率脉冲磁控溅射技术(HIPIMS)在高速钢基片(W18Cr4V)上制备了CrN涂层和CrAlN涂层((H+B)CrN、(H+B)CrAlN);同时采用第四代电弧离子镀技术(ARC evaporators)在高速钢基片上制备了CrN涂层和CrAlN涂层(ARC CrN、ARC CrAlN)。采用划痕试验、X射线衍射、扫描电镜和电化学腐蚀测试等研究了涂层的形貌和性能。结果表明:共溅射制备的涂层膜基结合力更强,临界载荷最高可达到72.2 N,表面晶粒更细小,缺陷少,横截面组织致密;同时该方法制备的CrAlN((H+B)CrAlN)涂层的高温抗氧化性能最佳;共溅射制备的涂层的耐腐蚀性能比电弧离子镀制备的涂层更好。     

基体材料对Cr/CrN多层涂层在海水环境中磨蚀性能的影响

目的 讨论海水环境下不同基体材料对Cr/CrN交替的多层复合涂层磨蚀性能的影响,为海水环境下耐磨蚀材料基体的选择和应用提供参考。方法 采用多弧离子镀技术在316L不锈钢和TC4钛合金基体上沉积Cr/CrN多层复合涂层,通过XRD、SEM等技术对涂层材料的微观结构进行表征,通过硬度测试、结合力测试、电化学分析、摩擦磨损试验等技术对涂层材料的力学性能、电化学性能以及摩擦学性能进行分析,比较不同基体对Cr/CrN多层涂层在海水环境中磨蚀性能的影响。结果 以TC4钛合金为基体的Cr/CrN多层涂层的硬度为1727.2HV0.3,虽略小于以316L不锈钢为基体的涂层硬度（2241.5HV0.3）,但其在膜-基结合力、海水环境下电化学性能和摩擦学性能等方面均优于以316L不锈钢为基体的涂层。结合力测试中,以TC4为基体的多层涂层初始裂纹出现在31 N,扩展裂纹出现在42 N,大于316L基体涂层的22 N和35 N。电化学测试中TC4基体涂层的腐蚀电位为?0.20 V,大于316L基体涂层的腐蚀电位（?0.21 V）。海水环境下TC4基体涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.35和2.9950×10?5 mm3/(N?m),均小于316 L基体涂层的平均摩擦系数（0.36）和磨损率（4.9895×10?5 mm3/(N?m)）。结论 TC4钛合金更适合作为海水环境用Cr/CrN多层涂层耐磨蚀材料的基体材料。     

多弧离子镀制备的大厚度Cr/Cr_2N/CrN多层涂层的结构和力学性能（英文）

采用多弧离子镀制备一种厚度为24.4μm的Cr/Cr2N/CrN多层结构涂层。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线光电子能谱(XPS)、能量散射谱(EDS)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对涂层进行表征,并用纳米压痕和划痕仪测试其硬度和结合力。用UMT-3MT往复式摩擦磨损试验机对涂层在大气和海水环境中的摩擦性能进行测试。结果表明,该涂层由3种相结构组成,分别是Cr相、Cr2N相和CrN相。相对于单层CrN涂层,多层涂层的结合力明显提高,该涂层的硬度为(21±2)GPa。多层结构涂层在人工海水中的耐蚀性能显著优于单层CrN涂层的耐蚀性能,且在大气和海水中多层结构涂层的摩擦因数均低于单层CrN涂层的摩擦因数。     

CrN和CrAlN涂层热稳定性、力学和摩擦学性能研究

目的 针对现有刀具用硬质CrN及CrAlN涂层的热稳定性研究尚属空白,以及对其涂层摩擦学性能的影响尚不清楚等问题,开展CrN和CrAlN涂层的热稳定性、氧化行为、力学性能及摩擦磨损性能研究。方法 采用中频反应磁控溅射技术制备CrN和CrAlN涂层,利用真空热脱附系统、场发射扫描电镜、原子力显微镜、能谱仪、X射线衍射、拉曼光谱仪、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等探究2种涂层的结构、热稳定性、力学性能和摩擦学性能。结果 在真空温度为646 ℃左右时,CrN涂层开始发生N分解和释放,在885 ℃左右时N的释放速率达到峰值。CrAlN涂层在真空温度为722 ℃左右时才开始发生N分解和释放,而在1 000 ℃下N的释放速率并未达到峰值。在大气温度600 ℃下,CrN涂层开始发生氧化,并生成Cr2O3相,且Cr2O3层的厚度随着温度的升高而增加,在900 ℃时涂层完全氧化。CrAlN涂层在900 ℃时才开始发生氧化,生成更为致密的Cr2O3和Al2O3混合氧化层,阻止涂层进一步氧化。在大气高温条件下,CrAlN涂层均具有比CrN涂层更高的硬度和弹性模量。随着温度的升高,2种涂层的表面粗糙度逐渐增加,摩擦因数逐渐降低,CrAlN涂层在600、800 ℃下的表面粗糙度和磨损率均低于CrN涂层。结论 在真空下,CrAlN涂层中键能较高的Al-N共价键改善了涂层的热稳定性,提高了CrAlN涂层中N的分解温度。在大气中,CrAlN涂层具有比CrN涂层更高的抗氧化性、硬度和弹性模量,CrAlN涂层在高温氧化过程中生成了连续且致密的Cr2O3和Al2O3混合氧化层,能够减缓O原子向涂层内部的扩散。CrAlN涂层具有比CrN涂层更优异的耐磨性,更适合作为高温工况下服役的刀具和模具等易磨损材料的防护涂层。     

Cr基金属氮化物涂层改善冷冲模性能的研究

采用非平衡磁控溅射法在硬度分别为56HRC和62HRC的Cr12MoV冷作模具钢表面制备Cr/CrN/CrTiAlN涂层,综合分析了涂层的表面性能,并进行了应用试验。实验结果和应用试验表明：Cr/CrN/CrTiAlN涂层能显著提高Cr12MoV钢基体的表面硬度（2550HV25）及承载能力,并与基体较好地结合,从而显著减少了Cr12MoV钢基体的磨粒磨损,耐磨性提高,对于高的基体硬度这一效果更为明显。经Cr/CrN/CrTiAlN涂层的翻边精整冷冲模,较未表面处理模具其使用寿命提高了两个数量级以上。     

调制周期对Cr/CrN纳米多层膜的结构与性能的影响

采用多弧离子镀技术在65Mn钢表面制备了不同调制周期的Cr/CrN纳米多层膜.采用俄歇能谱仪(AES)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米硬度仪、轮廓仪和划痕仪,分析了不同调制周期Cr/CrN纳米多层膜的成分分布、微观结构、力学性能、残余应力和结合强度.结果表明,Cr/CrN纳米多层膜的表面平整致密,截面层状调制结构清晰,其调制结构为Cr层-过渡层-CrN层的"三明治"结构,调制比约为1∶ 1.多层膜由CrN、Cr2N和Cr相组成,在CrN(200)方向上出现择优取向.当调制周期为80 nm时,多层膜的硬度值相对较高.随调制周期的增大,Cr/CrN多层膜的残余应力值减小,结合强度值先增大后减小.当调制周期为120 nm时,涂层的划痕临界载荷值相对较高,为69 N.     

Al/Cr复合涂层对Ti2AlNb合金抗热腐蚀性能的影响

目的改善Ti2AlNb合金在高温腐蚀盐环境中的耐热腐蚀性能。方法在Ti2AlNb合金表面通过双层辉光等离子渗铬及磁控溅射镀铝技术制备Al/Cr复合涂层,分析涂层热腐蚀前后的微观形貌和物相组成,并探究涂覆Na2SO4盐膜的试样在不同温度下(750、850、950℃)的热腐蚀行为。结果Al/Cr复合涂层组织均匀致密,且与基体结合良好,厚度约73μm,由表及里依次由Al沉积层、Al/Cr合金层、Cr沉积层、Cr扩散层四部分组成。经不同温度Na2SO4盐热腐蚀后,Al/Cr复合涂层腐蚀程度均显著小于合金基体。涂层试样经750~850℃Na2SO4盐热腐蚀后质量变化较小,850℃腐蚀增重仅0.525 mg/cm^2,而经历950℃、40 h熔盐热腐蚀后失重达到73.571 mg/cm^2,且试样截面出现剥离、脱落现象,Al/Cr复合涂层抵抗热腐蚀能力减弱。结论具有涂层保护的试样抗热腐蚀性能明显优于合金基体。Al/Cr复合涂层在750~850℃Na2SO4盐环境中具有良好的热腐蚀抗力,而更高温度段(850~950℃)的热腐蚀抗力下降。Al/Cr复合涂层在Na2SO4盐环境中良好的抗热腐蚀性得益于涂层中Al、Cr元素氧化形成以Al2O3、Cr2O3为主的混合氧化膜,有效阻碍外界氧气及腐蚀性介质侵入基体。     

Short‐term oxidation and hot corrosion resistance of a gradient CrN/Cr1−xAlxN coating

A CrN/Cr_1?xAl_xN coating comprised of an inner layer of CrN and an outer layer of Cr_1?xAl_xN with a gradient distribution of Al was deposited on two different alloys by a reactive sputtering method. Oxidation and hot‐corrosion tests of the gradient CrN/Cr_1?xAl_xN coating were performed at different temperatures. The phase compositions and morphologies of the as‐deposited coating and the corrosion products were investigated by using XRD and SEM/EDS. The results showed that the gradient CrN/Cr_1?xAl_xN coating exhibited good oxidation resistance at temperatures above 1000 °C owing to the formation of an α‐Al₂O₃‐rich oxide scale. The coating possessed good hot‐corrosion resistance in molten sulfate because the inner CrN layer could supply enough Cr to form a relatively protective Cr₂O₃ after the Al₂O₃‐enriched scale failed due to its dissolution in the molten sulfate.     

α-Al2 O3微粒对铸造Al-Si合金微弧氧化膜耐蚀性的影响

目的通过共生沉积技术将α-Al2O3微粒引入到铸造Al-Si合金微弧氧化膜中,并研究其对膜层耐蚀性的影响。方法利用SEM和XRD分析α-Al2O3微粒对微弧氧化膜微观结构及成分的影响。通过极化曲线、交流阻抗谱及中性盐雾试验评价膜层的耐蚀性。结果α-Al2O3微粒复合改变了微弧氧化膜的组成及结构。微弧氧化膜呈双层结构,表面存在大量微孔,主要组成为γ-Al2O3;加入α-Al2O3微粒后,微弧氧化复合膜的表面微孔大幅减少,致密度提高,且膜层中α-Al2O3相增多。此外,α-Al2O3微粒复合改善了微弧氧化膜的耐蚀性。微弧氧化膜在质量分数为3.5%的Na Cl溶液中的自腐蚀电流密度约为1.476×10-5A/cm2,多孔层电阻Rp及阻挡层电阻Rb分别为0.259 kΩ·cm2及69.18 kΩ·cm2,耐盐雾试验时间为1200 h。加入α-Al2O3微粒后,微弧氧化复合膜的自腐蚀电流密度仅为微弧氧化膜层的28%,Rp大幅增加至274.5 kΩ·cm2,且Rb也上升了一个数量级,耐盐雾试验时间可达1440 h。结论α-Al2O3微粒的引入可以大幅提高铸造Al-Si合金微弧氧化膜的耐蚀性。     

Thermal stability behaviors of Cr(N,O)/CrN double-layered coatings by TGA/DTA analysis

In this study, Cr(N,O)/CrN double-layered coatings were synthesized using the cathodic arc deposition (CAD) process. CrN film was first deposited onto a substrate as an interlayer to ensure better adhesion, and Cr(N,O) film was subsequently deposited on top of the CrN layer as the surface layer. Variation in the Cr(N,O) coating composition was achieved through changing the O₂/N₂ flow ratio during the last stage of processing. Phase structure, chemical composition, and morphology of the resulting coatings were analyzed and observed using the X-ray diffractometer, Auger electron spectrometer and SEM. In addition, oxidation behavior of the coatings was investigated using TGA/DTA methods. The tests were carried out by increasing temperature up to 1000 °C in ambient air. With the introduction of oxygen gas during the CAD process, a superficial layer was produced in the Cr(N,O) constituent containing CrN and Cr₂O₃ phases. The formation of the oxide phase attributed to the reaction of chromium and oxygen was more favorable than that of chromium and nitrogen. The results also showed that Cr(N,O)/CrN double-layered coatings exhibited superior oxidation resistance at elevated temperature than that of CrN single-layer coated specimen (870 °C vs. 750 °C).     

直流溅射沉积CrAlN和CrN薄膜微观结构与摩擦性能分析研究

采用直流反应溅射在304不锈钢表面沉积CrAlN和CrN薄膜。利用X射线衍射仪（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）,X射线光电子能谱仪（XPS）,原子力显微镜（AFM）等表征Al元素的加入对CrN薄膜成分与组织结构的影响。采用摩擦磨损试验机和3 mm的Si3N4作为对偶球测试其在不同环境下的摩擦性能,并利用Nanomap 500LS三维轮廓仪表征磨痕轮廓。研究结果表明,CrN薄膜主要物相是CrN和Cr2N相,CrAlN薄膜主要物相是CrAlN和Cr2N相。CrN薄膜的（200）晶面的CrN相呈择优取向,而CrAlN薄膜的（200）晶面的CrAlN相也呈择优取向。在CrAlN沉积的过程中,部分的Cr原子被Al原子替代形成有利于细化晶粒和提高薄膜的综合性能。因此,在所有的实验环境中,CrAlN薄膜都比CrN薄膜具有更好的抗磨损性能和低的磨损率。     

CrN/CrAlSiN涂层海水环境下的摩擦学性能

为提高海洋装备摩擦零部件的摩擦学性能,采用多弧离子镀技术在316L不锈钢上制备了CrN/CrAlSiN涂层。通过XRD、XPS表征涂层的物相及成分,SEM和TEM表征涂层的形貌和微观结构,并用纳米压痕仪测试其硬度,采用摩擦磨损试验机对涂层在大气和海水环境中的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:CrN/CrAlSiN涂层的微观结构主要有CrN相、AlN相以及非晶态Si_3N_4包裹CrN、AlN相,(111)择优取向最为明显;基于微观结构与CrN过渡层的设计,CrAlSiN涂层硬度高达35.5 GPa;较之于316L基底,涂层致密的结构使其在海水环境下表现出更好的耐腐蚀性能;在大气和海水环境下,CrN/CrAlSiN涂层的摩擦因数及磨损率均明显降低,在海水环境下达到最优。     

Tribological behavior of CrN/WN multilayer coatings grown by ion-beam assisted deposition

CrN monolayer coating and CrN/WN multilayer coatings were deposited on the silicon (100) substrate by ion-beam assisted deposition process. The bilayer period of these coatings was controlled at 8 nm and 30 nm. The cross-sectional morphology of nanoscaled multilayer coatings was characterized by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The wear resistance of CrN/WN multilayer coatings and CrN monolayer coating was investigated using a pin-on-disc tribometer. The surface roughness (Ra) of the coatings was evaluated by atomic force microscopy, and that of CrN and WN monolayer coating was 6.7 and 5.9 nm, respectively. The employment of multilayer configuration in CrN/WN coating with bilayer period of 8 nm and 30 nm effectively reduced the surface roughness down to 1.9 and 2.2 nm, respectively. The friction coefficient of CrN monolayer coating and CrN/WN multilayer film with a bilayer period of 30 nm was 0.63 and 0.31, respectively. Owing to the high hardness/elastic modulus ratio, as well as the dense structure and the smooth surface roughness, the CrN/WN multilayer coatings exhibited better wear resistance in the consideration of friction coefficient and the worn surface morphology.     

40Cr钢表面渗氮及制备CrN涂层在重载低速下的摩擦学性能

目的提高40Cr齿轮在重载低速下的摩擦学性能。方法采用离子渗氮和电弧离子蒸发镀(AED)技术在40Cr钢基体上制备了渗氮层和Cr N涂层。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪和往复式摩擦磨损试验机,研究了经两种表面处理后40Cr钢的物相组成、形貌和摩擦学性能。结果渗氮样品表面化合物层厚度约10μm,硬度约为558HV。Cr N涂层表面厚度约为4μm,涂层硬度约为1341HV。在60 N载荷的条件下,渗氮处理后40Cr钢的磨损率为104.17×10-6 mm3/(N·m),其磨损机理主要为轻微的粘着磨损和磨粒磨损;制备Cr N涂层后40Cr钢的磨损率为17.36×10-6 mm3/(N·m),其磨损机理主要为轻微的磨粒磨损。结论在20~60 N法向载荷下,制备Cr N涂层后,40Cr钢均表现出最优异的耐磨减摩性能。