多尺度强韧化碳基润滑薄膜的研究进展

随着海洋、空间、核能等苛刻环境工况下机械装备的发展,兼具高硬度、高承载能力、良好韧性及优异摩擦磨损性能的强韧化复合碳基润滑薄膜成为类金刚石薄膜的研究重点。文中系统归纳和评述了碳基薄膜的多元/多相复合、梯度多层、纳米多层、微/纳表界面织构化等强韧化关键技术及其强韧化机制。包括纳米晶—非晶复合结构的界面强化效应和晶界滑移强韧化;功能化梯度/多层结构膜基界面匹配、应力缓冲和微裂纹抑制强韧化;纳米晶—非晶类石墨结构、类富勒烯结构以及微/纳表面织构强韧化机制等。这些技术大幅改善了类金刚石薄膜的韧性,提高了薄膜抗疲劳磨损性能,使其能有效应用于水润滑、油润滑、高温、真空、特殊气氛以及沙尘等极端苛刻环境。文中指出强韧化碳基薄膜将向着应对极端苛刻环境的多尺度复合强韧化、适应复杂多变环境的智能化,以及满足未来空间需求的超长寿命方向发展。     

高性能铜系层状金属材料设计:纳米尺度下强化能力与韧化能力思考

对近年来国内外在纳米层状金属材料的强化能力及其尺度与界面效应、塑性形变行为及稳定性等基本规律的研究进展进行了系统的总结,并对纳米层状材料的强化能力与韧化能力进行了深入的探讨.最后,对纳米层状金属材料的强化与韧化能力中的关键科学问题及未来研究进行了展望.     

表面纳米化对304不锈钢/CrN薄膜力学性能的影响

表面纳米化可以显著改善金属材料的表面力学性能,并促进氮、铬等原子的热扩散,文中尝试采用表面纳米化技术改善金属基体/硬质薄膜的力学性能.对304不锈钢采用表面机械研磨处理获得纳米晶粒表层,采用多弧离子镀镀方法在表面纳米化和粗晶粒的304不锈钢基体上沉积CrN薄膜.对两种膜基体系采用X射线衍射、显微硬度测试、压入法和划痕法膜基结合性能评价.结果表明,表面纳米化影响了CrN膜层的组织结构,明显提高了膜基体系的硬度和承载能力,还改善了膜层的韧性,膜基结合性能也得到提高.     

钢铁表面高强韧涂层的研究进展

在钢铁材料表面制备硬质涂层,可明显改善其表面硬度低和耐磨性差而导致在摩擦工况下使用寿命低的问题.然而传统均质涂层在提高强度、硬度和耐磨性的同时,会大幅降低其韧性,即强度和韧性呈现"倒置关系".针对强度-韧性的"倒置关系",设计并开发出具有高强、高韧、高耐磨的涂层,对扩大钢铁材料的应用具有重大意义.从制备工艺、微观组织、力学性能以及强韧化机制等方面,综述了钢铁表面层状结构涂层、多尺度结构涂层、梯度结构涂层和纳米结构涂层等几种高强韧涂层的研究进展.在此基础上,指出钢铁表面高强韧涂层未来应向开发新型表面改性技术、设计与精确调控多元多尺度复合构型以及构建微观组织-力学性能数值模型的方向发展.进一步提出了钢铁表面多元多尺度结构涂层的可控制备技术原型,即通过新型表面改性技术与理论计算、仿真模拟的协同配合,实现钢铁表面多元多尺度结构涂层的进一步优化设计与精确调控,建立微观组织-力学性能之间的函数关系,准确揭示其强韧化机理,为突破强度-韧性"倒置关系"瓶颈,实现综合性能优异的钢铁基表面复合材料的制备提供新思路.     

磁控溅射ZrAlCuN薄膜的微观组织与力学性能

采用磁控溅射技术制备不同原子比的ZrAlCuN薄膜。采用场发射扫描电镜(FESEM)观察截面形貌,高分辨透射电镜分析微观组织结构,纳米压入法测定薄膜的硬度,压入法(维氏压头)测定薄膜的韧性。结果表明:Zr0.36Al0.15Cu0.01N0.48薄膜截面呈纳米尺度柱状晶,沿沉积方向生长,仅存在[111]、[200]、[220]、[311]取向的5~10nm ZrN晶粒,未发现AlN及Cu独立相,硬度约41.7GPa(载荷10mN),弹性模量约257.8GPa。Zr0.29Al0.24Cu0.08N0.39薄膜呈纳米尺度柱状晶,存在10~20nm ZrN纳米晶以及Cu[111]纳米晶,硬度约27GPa(载荷10mN),弹性模量约225.8GPa。由于前者具备较高的硬度/弹性模量比,从而表现出较好的韧性。     

刀具氮化物涂层的研究进展

综述了刀具氮化物涂层的研究进展及发展趋势,分析了制备多元多层氮化物涂层的物理沉积技术及其优劣势.指出刀具氮化物涂层的种类从单一的金属涂层发展到二元合金涂层,目前又朝着多元合金复合涂层发展;涂层的层数从单层发展到多层,而且各单层涂层的厚度将趋于纳米化.多元多层氮化物涂层是今后刀具涂层的研究热点.     

脉冲偏压电弧离子镀Ti/TiN纳米多层薄膜的结构与硬度

采用脉冲偏压电弧离子镀设备在高速钢基体上沉积Ti／TiN纳米多层硬质薄膜,通过仅改变偏压幅值的方法进行对比实验。XRD分析和薄膜断截面SEM形貌显示出薄膜的纳米多层组织结构;硬度测试表明纳米多层薄膜硬度随脉冲偏压升高而升高。在-900V时超过同等条件制备的TiN单层薄膜,硬度高达34．1GPa;分析表明硬度的提高主要与脉冲偏压工艺对薄膜组织的改善有关;用脉冲偏压电弧离子镀可以制备纳米多层硬质薄膜,并且在工艺控制上相对简单。     

纳米多层超硬膜力学性能研究进展

纳米多层膜显著改善了膜层的硬度、韧性、耐磨性及耐热性,能够满足各种特殊应用需要,成为硬质薄膜研究的热点课题.本文综述了近年来纳米多层膜在硬度、耐磨性及热稳定性方面的研究成果,分析了它们的主要影响因素,并对今后纳米多层膜的发展趋势进行了展望.     

CrN基复合薄膜研究进展

主要综述了CrN基多元复合薄膜、多层薄膜及多元多层复合薄膜的研究进展,详细叙述了多元复合、多层结构设计及多元多层复合设计对薄膜力学性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响,并重点阐述了薄膜的腐蚀机理及其耐磨损机制.指出了多元复合、多层结构设计和多元多层复合设计,均可一定程度上提高CrN薄膜的力学性能、耐磨损性能和耐腐蚀性能.一般而言,多元多层设计可通过非晶/纳米晶微观结构调控、晶粒细化、界面强化、提高致密度、降低内应力等,使复合薄膜呈现出优异的耐腐蚀和耐磨损性能.最后对CrN基复合薄膜的发展及应用前景进行了展望,表明CrN基复合薄膜将继续朝着多元多层复合化、纳米多层化及超晶格等方向发展,其制备技术也更加多元复合化.随着CrN基复合薄膜综合性能的不断提高,其应用领域也将更加广泛.     

低模量Ti6Al4V表面Ti(Al/Pt)N薄膜强化改性

为解决硬质薄膜因与软基体硬度和模量差较大导致的薄膜失效问题,提高硬质薄膜在Ti6Al4V(TC4)钛合金基体上的适应性,使用掺杂氮化钛（TiN）陶瓷薄膜对低模量Ti6Al4V合金表面强化。采用热丝增强等离子体磁控溅射技术在Ti6Al4V合金表面制备Ti(Al/Pt)N薄膜：包括本征TiN、Al&Pt掺杂TiAlN和TiAl(Pt)N薄膜。采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、纳米压痕仪、洛氏硬度计和摩擦磨损测试仪分别表征三种薄膜组织形貌、能谱分析、相结构和内应力、纳米硬度和模量及耐磨性。结果表明：Al元素掺杂使TiN薄膜柱状晶细化,截面形貌柱状晶更致密;同时微量Pt掺杂后,截面断口呈韧性撕裂。本征TiN和TiAlN薄膜衍射峰图谱呈现TiN(111)取向,TiAl(Pt)N薄膜的衍射峰呈TiN(200)主峰位。Al元素掺杂使TiN薄膜晶格畸变增多,内应力从-13 MPa增大到-115 MPa,导致膜-基结合力恶化,洛氏压痕和摩擦磨损实验中均出现薄膜剥落。Pt掺杂后薄膜内应力降低到-66 MPa,在洛氏压痕试验中TiAl(Pt)N薄膜与基体结合良好,仅有少许环形裂纹。摩擦磨损试验中本...     

Room—temperature mechanical properties of WSi2／MoSi2 composites

Five Kinds of WSi2/MoSi2 composites were successfully prepared by mechanical alloying,IP and high temperature sintering techniques.And their hardness and fracture toughness were measured by the Vickers indentation fracture mode through an Hv-10A type sclerometer.The microstructure and morphology were investigated by a JSM-5600IV scanning electron microscope.Results show that the addition of 50% WSi2(in mole fraction)has remarkable hardening and toughening effects on the MoSi2 matrix.whose hardness value and fracture toughness value are increased about 60% and 86%,respectively.For WSi2/MoSi2 comosite,the hardening mechanisms are fine-grain and the second phase particles strengthening,and the toughening mechanisms include fine-grain,grain drawing,crack deflection,microbridge and bowing toughening.     

HSLA钢组织—性能对应关系的预测模型

通过HSLA钢中各组成相的体积分数、铁素体晶粒尺寸、析出相的尺寸和体积分数等参数,分别考虑了细晶强化、相变强化和析出强化等强韧化机制对强度和韧性等机械性能的影响,建立了HSLA钢组织一性能对应关系的预测模型。模型的预测精度通过两种HSLA钢实验室控轧控冷的组织一性能实验数据获得验证。     

Microstructure and hardness of hollow cathode discharge ion-plated titanium nitride film

Titanium nitride (TiN) films were deposited on 304 stainless steel substrate by hollow cathode discharge (HCD) ion-plating technique. The preferred orientation and microstructure were studied by x-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), respectively. Microhardness of the TiN film was measured and correlated to the microstructure and preferred orientation. The results of TEM study showed that the microstructure of TiN film contains grains with nanometer scale. As the film thickness increases, the grain size of TiN increases. The x-ray results show that TiN(111) is the major preferred orientation of the film. The hardness of TiN film is primarily contributed from TiN(111) preferred orientation.     

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 深入分析了有机物切割刀具用钢的使用性能要求及相应的力学性能要求，为获得优异的切割性能，有机物切割刀具用钢必须具备超高的刀口硬度及刃口锋利性，并具有适当的韧性。由此分析了有机物切割刀具用钢的合金化原理与强韧化原理。为获得良好的刃口锋利性，必须采用高碳低合金或非合金钢。设计了一种有机物切割刀具用钢，采用特殊热处理工艺，通过高碳马氏体强化以及微细弥散的合金渗碳体沉淀强化可显著提高钢的硬度实现超硬化，而通过合金渗碳体及VC联合阻止晶粒长大产生明显的晶粒细化效果可提高钢的韧性。     

多层膜晶界和膜界间竞比变形及其对硬度测量的影响

使用磁控溅射法制备了不同调制波长的Ni/Al多层膜,利用X射线衍射(XRD)和高分辨电子显微术(HRTEM)对薄膜进行了微结构表征,采用连续刚度法(CSM)研究了不同压入深度下多层膜的硬度.结果表明,随调制波长减小,薄膜呈纳米晶结构特征且存在超硬效应.调制波长L大于30nm时,纳米压入硬度随压入深度的增加而升高;L小于30nm时,最大压入深度的硬度测量值反而最小.同时发现压入深度较小时硬度相对大小对调制波长不敏感.结合微结构表征,从晶界和膜界的竞比变形角度进行了分析讨论.     

高硬度激光熔覆专用Fe基合金强韧化机理

为解决高硬度激光熔覆层容易产生裂纹的问题,采用自制激光熔覆专用铁基合金粉末,在未采用预热和后热等措施的情况下,获得了高硬度且无裂纹的熔覆层.揭示了激光熔覆专用铁基合金强韧化机理,即晶内主要为中碳混合马氏体和晶间有相当数量残余奥氏体的复相组织强化.中碳混合马氏体作为基体,为熔覆层提供了高的硬度和强度以及一定的韧性.塑韧性极好的少量残余奥氏体则分布于晶界附近,在不明显降低熔覆层硬度和强度的同时吸收和减小熔覆层应力,降低开裂敏感性.     

Si3N4(p)/SiC(w)协同复合MoSi2材料的强韧化及机理研究

采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、维氏硬度计、电子万能材料试验机研究MoSi_2-Si_3N_(4(p))/SiC_(w)复合材料的结构、形貌、硬度、断裂韧性,并对SiC晶须和Si_3N_4颗粒复合强韧化MoSi_2的机理进行了探讨.结果表明,SiC晶须和Si_3N_4颗粒对MoSi_2具有协同强韧化作用,MoSi_2-20%Si_3N_(4(p))-20%SiC_(w)(体积分数,下同)复合材料的抗弯强度达427 MPa,室温断裂韧性达到10.4 MPa·m~(1/2),均高于单一强韧化剂的强韧化效果.MoSi_2-20%Si_3N_(4(p))-20%SiC_(w)复合材料的强化机理为细晶强化和弥散强化;韧化机制为细晶韧化、裂纹偏转与分支和微桥接韧化.     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头沉淀相析出行为

利用搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)技术对厚度为6 mm的7075铝合金进行平板对焊,使用金相显微镜、显微维氏硬度仪对7075铝合金FSW接头进行微观组织观察和显微维氏硬度测试,使用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)对合金进行物相分析,使用透射电镜(transmission electron microscopy,TEM)对接头焊核区(welding nugget zone,WNZ)、热机影响区(thermal-mechanically affected zone,TMAZ)、热影响区(heat affected zone,HAZ)及母材(base metal,BM)中的沉淀相分布、形貌等进行观察,并对沉淀相的晶格条纹间距进行计算。研究结果表明,7075铝合金FSW接头的组织及显微维氏硬度分布极其不均匀;接头中沉淀相主要有棒状MgZn_2和椭圆状AlCuMg两种,沉淀相种类与形状不同,强化效果不同,AlCuMg强化效果好于MgZn_2;WNZ中沉淀相主要是AlCuMg,加之细晶强化,显微维氏硬度较高;相比WNZ,TMAZ中沉淀相AlCuMg数量少,MgZn_2相对增多,强化效果相对减弱,导致显微维氏硬度降低;HAZ中的MgZn_2相对更多,加工硬化和细晶强化效果减弱,HAZ与TMAZ交界处显微维氏硬度达到接头的最低值。