偏压对MPP制备AlTiSiN纳米复合涂层结构及性能的影响

目的实现对AlTiSiN纳米复合涂层微观组织结构的调控及力学性能优化。方法利用可调控脉冲磁控溅射技术,通过调控基体偏压(-50～-250 V)制备了不同偏压条件下的AlTiSiN纳米复合涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)、薄膜综合性能测试仪及球盘摩擦试验仪,测试了涂层的微观组织结构、组成成分、表面形貌、力学性能及摩擦学性能。结果偏压对涂层元素组成影响不大。微观组织结构方面,不同偏压条件下制备AlTiSiN纳米复合涂层的晶面衍射峰宽化现象明显,呈现纳米晶组织结构。-200V条件下制备的涂层的晶面衍射峰呈"馒头峰"形态,表明涂层结晶性能出现明显下降,呈类非晶组织结构;偏压升至-250V时,高能离子对涂层生长表面的持续轰击作用,使得涂层生长表面升温明显,导致结晶性能出现明显改善。涂层表面光滑致密,表面粗糙度最低可达1.753nm。力学性能方面,随基体偏压的升高,涂层硬度在取得最大值后逐渐下降,最高硬度可达25.9 GPa,H/E*系数可达0.13。摩擦学性能方面,偏压为-200 V时,涂层磨损率取得最小值4.7×10~(-15) m~3/(N×m)。结论改变基体偏压,成功实现了涂层微观组织结构的调控生长,进而达到了优化涂层组织结构、力学性能及摩擦学性能的目的。     

柔性硬质纳米复合涂层

研究了利用磁控溅射方法制备的柔性硬质纳米复合涂层。结果表明柔性硬质纳米复合涂层具有以下优异性能:是一类具有高硬度、高韧性以及抗裂纹性能的新型涂层;具有较高的硬度模量比(H/E*≥0.1,E*=E/(1-ν~2))、弹性恢复系数(We≥60%)、压应力(σ0)L,且少缺陷的微观结构;生长处于Thornton结构区域相图的T区。磁控溅射非常适合制备纳米复合涂层,文中将对其制备柔性纳米复合薄膜的机理做深入阐述。涂层生长主要受以下3个参数影响:涂层生长过程中吸收的能量Ep,其包含沉积原子携带的能量E_(ca)和轰击离子携带等能量E_(bi)(E_p=E_(ca)+E_(bi)),基体温度Ts和涂层材料的熔点T_m。柔性硬质涂层具有广泛的应用前景,如柔性保护涂层、柔性功能涂层、防脆性涂层开裂的柔性保护涂层以及柔性多层涂层。文中还将详细阐述低温磁控溅射制备柔性纳米复合涂层的原理,并阐述纳米复合涂层及其性能的发展趋势。     

Ti-B-N纳米复合涂层的设计、制备及性能

利用脉冲直流磁控溅射技术研制Ti-B-N涂层,通过降低反应气体N₂流量,减少涂层中a-BN (a代表非晶)软质相的含量,增大TiB₂靶溅射功率,提高硬质相TiB₂的含量,形成nc-(Ti₂N, TiB₂)/a-BN (nc代表纳米晶)纳米复合结构,实现涂层增韧和强化。系统研究了TiB₂靶溅射功率对Ti-B-N涂层成分、微观结构和性能的影响,利用EDS、HRTEM、SEM、XRD、纳米压痕仪和划痕测试仪对涂层进行表征和测试,利用球-盘式摩擦磨损试验机测试涂层摩擦学性能。结果表明,随着TiB₂靶溅射功率增加,Ti-B-N涂层结构逐渐由nc-Ti₂N/a-BN演变成hcp-TiB₂/a-BN;Ti-B-N涂层的纳米硬度也逐渐增加,当TiB₂靶溅射功率为2.4 kW时,涂层硬度最高,约为33.8 GPa;此时Ti-B-N涂层的摩擦系数和磨损率也最低,分别为0.55和2.1×10...     

碳含量对中频磁控溅射沉积MoCN涂层微观结构及摩擦学性能的影响

目的 为了大幅提高机械零部件表面的硬度和耐磨性能,探究制备具有低摩擦因数、高硬度和良好耐磨性的MoCN涂层。方法 采用中频磁控溅射技术在不锈钢基板和硅片上,通过控制C₂H₂气体(纯度99.99%,0、3、6、9 mL/min)的量来制备具有不同含碳量的MoCN纳米复合涂层。通过X射线衍射仪和拉曼光谱仪分析涂层主要的物相结构,采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征涂层的表面和断面形貌。采用连续刚度法,利用纳米压痕仪测试涂层的纳米硬度和弹性模量。利用自动划痕试验机和光学显微镜(OM)评估涂层与基体之间的黏附强度。最后利用多功能摩擦磨损试验机进行磨损试验,通过SEM对试验后的涂层进行磨损形貌分析,并对涂层的摩擦学性能进行评价。结果 涂层微观组织和力学性能表征结果表明,MoCN涂层由MoN相和非晶态碳相组成。随着涂层中碳含量的增加,涂层与基体之间的结合力和涂层表面的粗糙度都呈现逐渐减小的趋势,其涂层的划痕失效临界载荷和表面粗糙度的最小值分别为6.90 N和6.80 nm,但是涂层的纳米硬度从7.36 GPa增至10.23 GPa。摩...     

AlCrBN/AlCrSiN纳米晶多层复合涂层的制备及其性能

目的制备高硬度、高耐磨性、自润滑及高热稳定性的AlCrBN/AlCrSiN纳米晶多层复合涂层,探索涂层的微观结构、力学性能、耐磨性能及高温热稳定性能。方法采用多弧离子镀技术在WC-Co硬质合金以及不锈钢基底上,制备AlCrBN/AlCrSiN多层纳米晶复合涂层。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜、纳米压痕仪等设备,对涂层在不同温度(600~1000℃)下退火前后的表面形貌、微观结构、力学性能、耐磨性能进行系统研究。结果AlCrSiN/AlCrBN涂层为典型的纳米晶复合多层结构,涂层主要由fcc-AlCrN纳米晶镶嵌在非晶的SiNx和BNx中并形成多层结构。涂层具有优异的热稳定性能,其结构能够保持到800℃不发生变化,当温度增加到900℃时,涂层发生调幅分解,形成c-AlN、hcp-AlN和Cr2N等复合结构,在1000℃退火后,涂层结构基本稳定,仍能检测到CrN相。涂层纳米硬度及平均摩擦因数分别为29.15 GPa和0.67。结论AlCrSiN/AlCrBN涂层具有优异的力学性能、耐磨性能及高温热稳定性能,在800℃以下保持稳定,在1000℃退火后仍能保持较高的硬度及良好的耐磨性能,在高速切削刀具中具有良好的应用前景。     

感应加热熔敷微米和纳米碳化钨复合涂层的研究

用感应加热熔敷法在Q235钢表面获得微米和纳米碳化钨复合涂层，并用扫描电镜、X射线衍射分析仪、显微硬度计等仪器对涂层的微观结构及显微硬度进行了研究。结果表明，涂层与基体问形成了牢固的冶金结合，并伴有大量的合金元素在二者间相互扩散。     

纳米结构NiCrFeBSi喷涂涂层组织及磨损性能

利用AC–HAVF喷涂技术制备了纳米结构NiCrFeBSi涂层,对涂层微观结构及磨损性能进行研究。结果表明:涂层主要由γ–Ni固溶体以及FeNi3,Ni3B等化合物组成,涂层颗粒主要由80～100 nm的纳米粒子组成,部分粒子达到20～30 nm;涂层与基体结合很好,孔隙率低,约为3.25%;涂层具有较好的耐磨性,磨损失重约为基体的1/2,较基体有一定程度的提高;涂层磨损以疲劳磨损为主。     

三靶共溅射纳米复合Cr-Al-Si-N涂层的 制备及摩擦学性能研究

目的 利用高功率脉冲磁控溅射技术离化率高、溅射离子能量高等优点,在Cr-Al-N涂层中添加Si元素研制a-Si3N4包裹nc-(Cr,Al)N的纳米复合涂层,通过改变反应沉积时的N2/Ar比来调控涂层成分与结构,实现纳米复合Cr-Al-Si-N涂层性能优化。方法 采用高功率脉冲与脉冲直流复合磁控溅射技术制备Cr-Al-Si-N涂层。利用扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪、应力仪、纳米压痕仪、划痕测试仪和摩擦试验机,研究N2/Ar比对涂层成分、结构、力学性能以及摩擦学行为的影响。结果 涂层主要由面心立方结构的CrN与AlN相组成,且沿(200)晶面择优生长。当N2/Ar流量比为3∶1时,涂层与基体结合最好,临界载荷约为36.5 N;摩擦系数和内应力较低,分别为0.5和-0.48 GPa。当N2/Ar流量比为4∶1时,H/E值和H3/E*2值升至最高,分别为0.11和0.24 GPa,磨损率最低,约为1.9×10-4 μm3/(N?μm)。结论 当N2/Ar流量比为4∶1时,三靶共溅射制备的Cr-Al-Si-N涂层硬度较高,耐磨性能最好。     

纳米结构TiB2涂层的制备及性能

利用射频磁控溅射技术在冷作模具钢片上沉积了TiB2涂层。分别采用场发射扫描电子显微镜和小掠射角X射线衍射方法研究了涂层横截面的形貌和晶体结构,并对涂层的纳米硬度和摩擦性能进行了表征。结果表明,TiB2涂层的厚度均匀,结构致密,沿（001）晶向择优生长,具有纳米晶结构,硬度显著提高,耐磨性能好。     

复合zigzag结构CrN涂层的设计制备及冲蚀性能*

飞机在沙漠等恶劣环境中服役,空气中的固体颗粒在高速气流作用下对叶片表面产生高速冲击。为提高钛合金叶片的抗冲蚀性能,采用掠角磁控溅射技术制备复合zigzag结构CrN涂层（简称CrN-zigzag）,并利用掠角X射线衍射仪（GIXRD）、扫描电子显微镜（SEM）、划痕测试系统（CSM Revetest）、白光干涉仪、纳米压痕仪、冲蚀设备等表征涂层的成分、组织结构、力学性能和冲蚀性能。研究结果表明,CrN-zigzag涂层组织致密呈现柱状结构,厚度约为3.7μm,纳米硬度达到（19.2±2）GPa,具有良好的膜基结合强度（>48 N）。相比于常规CrN涂层,CrN-zigzag涂层在90°冲蚀角度下的抗冲蚀性能提高了57.67%。CrN涂层表现为明显的脆性失效特征,CrN-zigzag涂层表现为明显的脆性和韧性失效双特征,符合变形磨损理论和二次冲蚀理论。Cr N-zigzag涂层在砂砾冲蚀试验中表现出良好的抗冲蚀性能主要归因于其特有的zigzag晶界取向设计,提高了材料的损伤容限。     

磁控溅射沉积V-Al-N涂层的结构和性能研究

通过反应磁控溅射法制备了V1-xAlxN(0≤x≤0.67)涂层,研究了Al含量对涂层微观结构、力学性能及摩擦磨损性能的影响.结果表明:在0≤x≤0.51范围内,随Al含量的增加,V1-xAlxN涂层的微观结构不断变得致密,硬度不断提高,其中结构最为致密的V0.49Al0.51N涂层的硬度较VN提高了近3倍;在较宽的成分区间内,V1-xAlxN涂层结构均比较致密,硬度大于30 GPa,最高硬度达到41 GPa;随着硬度的改善,V1-xAlxN涂层的摩擦磨损性能较VN涂层也有不同程度的提高.     

轰击离子能量对V2AlC MAX相涂层结构及力学性能的影响

采用物理气相沉积（PVD）磁控溅射沉积方法,通过改变轰击离子能量制备高密度的V₂AlC涂层,并探究不同轰击离子能量对涂层结构和性能的影响。利用能谱仪测试、X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、原子力显微镜对涂层的化学组成、相结构、表面与截面形貌进行分析,同时利用纳米压痕测试评价V₂AlC涂层力学性能。结果表明,提高轰击离子能量从15 eV到35 eV可以有效使得V₂AlC涂层致密化,且降低涂层表面粗糙度~50%（从~20.2 nm到~11.9 nm）,同时提高涂层的硬度~50%（从~14 GPa到~21 GPa）,与杨氏模量~20%（从~309 GPa到~363 GPa）。但当轰击离子能量升高到50 eV时,Al元素含量急剧下降,涂层由V₂AlC相转变为V₂C与VC多相混合。轰击离子能量的提高有效改善V₂AlC涂层的结构,提高V₂AlC涂层的硬度,杨氏模量,但需控制轰击离子能量改变范围才可实现结构与性能最优化。     

磁控溅射Al-Ti合金薄膜的结构与性能变化

采用磁控溅射共沉积法制备AlTi合金薄膜,利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）以及纳米压痕仪等研究了薄膜成分、薄膜结构、薄膜形貌与薄膜力学性能之间的相互关系。结果表明： 当薄膜钛(Ti)含量低于26%时,薄膜为晶态固溶体(fcc Al(Ti));钛含量为32%时,薄膜为固溶体非晶混合相;钛含量介于35%~62%时,薄膜为非晶;钛含量为73%时,薄膜为非晶固溶体混合相;钛含量高于76%时,薄膜为晶态固溶体(hcp Ti(Al));AlTi薄膜的非晶区间为32%~73%Ti。同时非晶薄膜的内部结构较晶体更为致密。非晶薄膜的硬度和模量较晶体更高。这表明共沉积法可快速研究AlTi薄膜的结构、形貌及性能随薄膜成分的变化,并获取薄膜的非晶区间。     

冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的组织结构与性能

为制备基体相晶粒细小、增强相均匀分布的SiC/Al纳米复合涂层,以Al、SiC为原料,采用高能球磨法获得SiC颗粒弥散分布的纳米晶Al基复合材料粉末,利用冷喷涂技术低温成型制备了SiC/Al纳米复合涂层,分析了SiC含量对复合涂层相结构、晶粒尺寸、微观结构、硬度及磨损性能的影响规律。结果表明：冷喷涂可实现球磨纳米晶复合粉末结构的原位移植,所制备SiC/Al纳米复合涂层组织致密,微米及亚微米级SiC弥散分布在纳米晶Al（约80 nm）基体之上;SiC颗粒对Al基体有明显强化作用,冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的硬度随SiC体积分数的增加而显著增加,50% SiC/Al纳米复合涂层的硬度高达515 HV_0.3,约为Al块材的13倍;冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的耐磨损性能随着SiC含量增加而显著提高,涂层磨损失效机制为磨粒对基体的切削犁沟变形。     

反应磁控溅射制备CrN涂层的热稳定性

目的 研究了真空、大气2种环境下CrN涂层的热稳定性与氧化行为。方法 采用反应磁控溅射技术在(100)取向的P型单晶硅基底上制备了CrN涂层。利用真空热脱附谱(TDS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)以及加装的能谱仪(EDS)等表征方法,研究了在不同温度下涂层的热稳定性与氧化行为。结果 在真空退火时,TDS结果表明CrN涂层中的N在664 ℃左右开始释放,在温度达到1 000 ℃时释放结束。而在温度高于900 ℃时释放速率和释放量开始迅速上升,在温度达到930 ℃时达到峰值。在加热过程中,涂层中的CrN相部分转变为Cr2N相,在温度达到1 000 ℃时,完全转变为CrSi2相。在大气环境中,当温度达到700 ℃时,涂层开始被氧化,涂层表面生成了一层约136 nm厚的致密氧化层,同时在氧化层下方生成了一层CrOxN1?x的过渡层,并且涂层也出现了Cr2O3的拉曼峰。当温度达到800 ℃时,Cr2O3氧化物拉曼峰和衍射峰的数量和强度显著增加,说明涂层表面生成的氧化物的结构由简单变为复杂,并且结晶性增强。此外,氧化物颗粒逐渐长大,氧化层厚度增加,在温度达到850 ℃时,氧化层厚度达到429 nm。当温度高于700 ℃时,CrN涂层沿着厚度方向的元素扩散行为是O元素的向内扩散和N、Cr元素的向外扩散,并且释放的N在氧化层下方富集,并没有释放出去。结论 CrN涂层在真空中的热稳定性在900 ℃左右,在大气中的热稳定性在700 ℃左右。在大气中致密的Cr2O3氧化层的形成对O元素的向内扩散和N、Cr元素的向外扩散具有很好的阻挡作用。氧化层的这种阻挡作用对涂层的内部起到保护作用,延缓了涂层进一步的氧化和分解,这是CrN涂层热稳定性较好的原因。     

Ni含量对CrNiN涂层结构与性能的影响

目的研究Ni元素在CrNiN涂层中的存在形式,阐明Ni含量对CrNiN涂层的微观结构、力学性能和耐腐蚀性能的影响。方法采用磁控溅射技术,在控制Cr靶功率不变的条件下,通过改变NiCr靶电流制备3种不同Ni含量的CrNiN涂层。利用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束显微镜（FIB）、透射电子显微镜（TEM）、纳米压痕仪、电化学工作站等测试方法表征涂层的成分、组织结构、力学性能和耐腐蚀性能。结果当NiCr靶电流由0.5A增加到1.0A时,CrNiN涂层中的Ni含量（均用原子数分数表示）由6.84%增加到13.36%,CrNiN涂层具有明显的（200）择优取向。CrNiN涂层主要由CrN相组成,存在少量的Cr2N相和Ni金属相。随着Ni含量的增加,CrNiN涂层的硬度先增大后减小,当Ni含量为8.57%时,CrNiN涂层的硬度相对于CrN涂层提高了36%,达到了（16.9±0.7）GPa,韧性和抗塑性变形能力也明显提高;CrNiN涂层的腐蚀电流密度逐渐减小,耐腐蚀性增强。当Ni含量为13.63%时,涂层的自腐蚀电位为-0.096V,腐蚀电...