掺Ti量对类金刚石薄膜机械性能的影响

采用非平衡磁控溅射技术,通过改变Ti靶溅射电流,在不锈钢衬底表面沉积了不同掺Ti量的类金刚石薄膜(Ti-DLC),研究了掺Ti量对薄膜的显微硬度、弹性模量、膜/基结合强度、断裂韧性及摩擦磨损行为的影响。结果表明:DLC薄膜掺杂Ti后,硬度明显提高,且随着Ti靶溅射电流的增大,薄膜硬度先增加、后降低,Ti靶溅射电流为1.5A时,薄膜硬度最高;掺杂适量的Ti,可以明显改善DLC薄膜的膜/基结合强度和断裂韧性,并能明显降低DLC薄膜的摩擦系数。     

非平衡磁控溅射掺Ti类金刚石薄膜的结构分析

采用非平衡磁控溅射沉积技术在SCM415渗碳淬火钢基片上沉积了无氢Ti掺杂类金刚石(Ti-DLC)薄膜和无氢高纯类金刚石(DLC)薄膜,通过调节Ti靶的溅射功率使获得的Ti-DLC薄膜Ti含量(原子分数)为1.9%-34%.利用Raman分光光谱仪、XPS,XRD、显微硬度计及纳米划痕仪分析研究了Ti-DLC的组织结构、显微硬度及薄膜附着力.结果表明,利用非平衡磁控溅射得到的Ti-DLC薄膜,在Ti含量小于25%时,Ti-DLC薄膜仍具有类金刚石薄膜的sp2,sp3结构,但Ti的掺杂促进了sp3键向sp2键的转变.掺杂的Ti以TiC纳米晶的形式存在于非晶态的DLC中.掺杂Ti后薄膜的硬度明显降低,而薄膜附着力明显改善;但是当Ti含量超过3%后,薄膜附着力无明显变化,硬度逐渐回升.     

Zr掺杂类金刚石薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能的影响

目的改善不锈钢摩擦性能及耐腐蚀性能。方法通过线性阳极层离子源辅助非平衡磁控溅射法,制备了不同Zr含量的类金刚石(DLC)薄膜,采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、纳米硬度仪、高温销盘磨损仪、电化学工作站,对薄膜的化学成分、显微结构、纳米硬度、薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能进行测试研究。结果随着Zr靶功率的增大,Zr含量线性增加。Zr含量从4.9%增加至16.3%时,I_D/I_G增大,薄膜硬度从12.1 GPa逐渐下降至8.4 GPa;Zr含量增大至21.2%时,I_D/I_G减小,薄膜硬度增大至11.4 GPa。涂镀类金刚石薄膜的不锈钢基体比无涂层的不锈钢基体有更低的摩擦系数,更好的耐磨损性能。Zr掺杂DLC薄膜的最小摩擦系数为0.07。Zr含量从4.9%增加至16.3%,DLC薄膜的耐腐蚀性能减弱;Zr含量继续增加,DLC薄膜的耐腐蚀性能增强。当Zr含量不大于11.9%时,沉积Zr掺杂DLC膜的不锈钢基体的耐腐蚀性能比不锈钢基体的更强。结论 Zr含量不大于11.9%时,Zr掺杂类金刚石薄膜既可以有效地改善不锈钢基体的摩擦磨损性能,又可以大幅提高耐腐蚀性能。     

磁控溅射制备Ti-Si-N纳米薄膜的摩擦磨损性能

采用磁控溅射方法在1Cr18Ni9Ti不锈钢基体上沉积Ti-Si-N纳米薄膜。结果发现：随着Si含量增加，薄膜的晶粒尺寸逐渐变小，晶粒尺寸范围在3nm～20nm之间。薄膜的显微硬度相对于TiN有明显增加，最大硬度可达43．5GPa。Si元素的加入亦改善了膜基结合强度。同时发现，Ti-Si-N纳米薄膜的摩擦系数和比磨损率随着Si含量的增加先减小后增加，其高温摩擦系数明显低干常温，但比磨损率却有显著提高。     

非对称双极脉冲磁控溅射制备Ti-Co-La-N纳米薄膜性能

利用非对称双极脉冲磁控溅射制备了不用Co-La掺杂量的Ti-Co-La-N纳米复合薄膜.分别用扫描电子显微镜、X射线衍射、纳米压痕仪、划痕仪以及摩擦磨损仪研究了薄膜的表面形貌、结合力、显微硬度和摩擦学性能.结果表明:复合薄膜主要有TiN相、Co2N相和LaN相组成;复合膜的纤维硬度达到14.61 GPa,低于TiN的显微硬度;复合薄膜的显微硬度和结合力都随着Co-La掺杂量的增加而降低;在高速钢基体上复合薄膜的摩擦系数达到了0.6.     

射频输入功率对类金刚石薄膜性能的影响

为了得到类金刚石薄膜的性质和制备参数之间的对应关系,利用射频等离子体增强化学气相淀积在单晶硅的(100)面上制备了类金刚石薄膜,反应气体是甲烷和氢气的混合气.研究了射频源的输入功率对类金刚石薄膜性能的影响.采用Raman光谱、X射线光电子能谱、原子力显微镜和纳米压痕仪对薄膜的微观结构、表面形貌、硬度和弹性模量进行了研究,结果表明:制备的薄膜具有典型的不定型碳的结构特征、薄膜致密均匀,随着入射功率的提高,薄膜的sp3含量、硬度以及弹性模量先增加后减小,并且在100W时达到最大值,在400W时薄膜出现碳化.     

nc-(Ti,Al)(C,N)/a-SiNx纳米复合薄膜的制备及性能研究

目的 研究Si、C单元素掺杂及其共同掺杂TiAlN涂层对涂层性能的影响.方法 基于阴极电弧+辉光放电技术,在SUS304不锈钢基体及硬质合金刀具上分别制备nc-(Ti,Al)N、nc-(Ti,Al)N/a-SiNx、nc-TiAlCN及nc-TiAlCN/a-SiNx/a-C纳米复合薄膜,通过SEM观察涂层的微观组织形貌,并借助EDS表征涂层的元素成分,用XRD分析涂层的物相构成,探究C、Si元素对涂层生长的影响.采用纳米硬度仪测试涂层的硬度,采用二维轮廓仪及三维形貌仪表征涂层的表面粗糙度及表面形貌,通过滑动摩擦磨损试验测定涂层的耐磨性,用纳米划痕仪表征涂层的摩擦系数及涂层与基体的结合强度,用铣削实验表征涂层的切削性能.结果 该技术制备的TiAlN涂层,内部晶相结构复杂,硬度为29.57 GPa,主要归因于Ti2AlN、Ti2N等硬质相及TiN0.3相的形成降低了涂层的晶格常数.此为首次报道通过物理气相沉积方法制备含TiN0.3相的涂层.TiAlSiN涂层的硬度最高,为37.69 GPa,且耐磨性最好,主要原因是Si的添加起到了细晶强化和晶界强化的作用.C掺杂TiAlN使涂层析出更多非晶相,涂层硬度降低.C、Si元素共同掺杂,使得nc-TiAlCN/a-SiNx/a-C涂层表现出较低的摩擦系数及表面粗糙度,但与基体的结合性能最差,nc-(Ti,Al)N/a-SiNx薄膜的结合强度最好.结论 涂层均提高了基体表面的显微硬度,Si、C元素的掺杂可使涂层的某些性能得以大幅提升,但在实际应用中,还需根据应用需求选择合适的涂层.     

中频磁控溅射制备类金刚石薄膜的功率因素研究

采用SP0806AS中频磁控溅射镀膜机,在硅(100)和高速钢基体上,采用双石墨靶在不同功率下沉积了类金刚石薄膜.研究表明,在功率为5～7 kW下薄膜具有较低的ID/IG比;所得薄膜表面平整,粗糙度Ra值在1.5～2.8 nm之间,薄膜厚度随功率增加而增大;在100～200 nm Ti膜作为过渡层条件下,薄膜纳米硬度和弹性模量随功率增加呈先增大后减小趋势,硬度/杨氏模量比值先增大后减小,当功率为7 kW时具有较高值;划痕实验临界载荷随功率增加先增大后减小,最大可大于50 N;薄膜的摩擦系数较小,平均摩擦系数可小于0.15;在50 g载荷下,薄膜磨穿的时间超过300 min.确定SP0806AS中频磁控溅射镀膜机沉积类金刚石薄膜的最佳功率范围是5～7 kW.     

液相电化学法在不锈钢上沉积类金刚石薄膜

采用直流脉冲电源,以甲醇有机溶液作为碳源,通过电化学沉积法在不锈钢表面制备了类金刚石碳(DLC)薄膜.用扫描电镜和拉曼光谱分析了薄膜的形貌和结构,用MTS纳米压痕仪测试DLC薄膜的硬度和Young's模量,在CERT微摩擦系统上测试了薄膜的摩擦学性能.结果表明:电化学沉积含氢类金刚石碳薄膜的硬度较高(约7GPa),薄膜均匀、致密,表面粗糙度小;拉曼光谱在1332.51 cm-1处出现金刚石的特征峰;在室温干摩擦条件下,薄膜同WC钢球对摩时的摩擦系数随载荷增加而略微减小,抗磨性能则随着载荷的增加而变差,对摩时发生转移并形成转移膜,耐磨寿命缩短.     

梯度过渡层对硬质合金沉积类金刚石膜的耐磨性影响

目的分析不同类型的梯度过渡层对硬质合金沉积类金刚石涂层耐磨性能的影响,制备出能有效改善硬质合金减摩抗磨性能的类金刚石涂层。方法采用真空阴极电弧离子镀和等离子体增强化学沉积技术,在硬质合金基底上制备了Ti/TiC/DLC、Ti/TiN/DLC、Ti/TiN/TiNC/DLC和Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC四种类型的Ti多元梯度过渡类金刚石涂层。通过GNEHM-150型洛氏硬度计和电子显微镜、MFT-4000多功能材料表面性能试验仪、纳米硬度测试仪,分别评价不同类型多元梯度过渡层对硬质合金类金刚石涂层的膜基结合强度、摩擦磨损性能及纳米硬度。结果 Ti/TiC/DLC、Ti/TiN/DLC、Ti/TiN/TiNC/DLC和Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC四种类型涂层的膜基结合强度等级分别为HF3-HF4、HF5-HF6、HF1-HF2、HF1,对两种膜基结合强度较好的涂层(Ti/TiN/TiNC/DLC、Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC)进行摩擦磨损检测,其摩擦系数分别为0.2、0.1,且经过60 min对摩,Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC涂层仍未出现明显剥落。结论梯度过渡层的类型对薄膜的膜基结合强度、摩擦性能有较明显的影响,Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC结构的涂层膜基结合强度最好,具有最低的摩擦系数,表现出了优异的减摩抗磨性能,可有效改善硬质合金表面的耐磨性能。