弧电流对电弧离子镀沉积超硬ta-C薄膜的影响

用电弧离子镀设备,以获得超硬四面体非晶ta-C薄膜为目的,通过改变弧电流,在硬质合金基体上沉积制备了5组类金刚石DLC薄膜,主要考察弧电流对薄膜结构、性能以及获得超硬ta-C薄膜的影响规律。采用SEM、Raman、XPS、纳米压痕以及摩擦磨损仪分别表征了薄膜的形貌、结构、力学性能以及摩擦性能。结果表明：当弧电流为30 A时,薄膜表面最为平整致密、大颗粒数量最少,Raman谱的I_D/I_G值最小为0.87、sp^₃键含量最大为64%,薄膜的硬度和弹性模量最大分别为56.7 GPa和721.1 GPa、弹性恢复系数高达58.9%,且薄膜的摩擦系数最小为0.073,表明此时获得了具有优异综合性能的超硬ta-C薄膜;但随着弧电流的增加,薄膜表面变得疏松多孔、表面大颗粒增多,I_D/I_G增大、sp^₃键含量减小,薄膜的硬度H和弹性模量E逐渐减小,薄膜的摩擦系数也逐渐增大、摩擦性能大大降低,此时薄膜又归于呈现普通的性能一般的DLC薄膜特征。分析表明,若用电弧离子镀技术制备性能优异的超硬四面体非晶ta-C薄膜,需控制薄膜在较小的离子通量下沉积生长,为此需选择较小的弧电流方能实现。     

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。     

温度和硫离子对N80钢CO2腐蚀电化学行为影响

应用电化学阻抗谱、EIS扫描电镜(SEM)及能谱（EDS）研究了温度和硫离子交互作用下,N80钢的CO₂腐蚀电化学行为及腐蚀膜的形貌与组成.结果表明：温度和硫离子对N80钢CO₂腐蚀电化学行为影响显著;硫离子加入后试样表面吸附着一层腐蚀膜;随着油田地层水中S^2-浓度的增加,传递电阻R₁、膜电阻R₂及扩散阻抗W增加,膜电容Q₂减小;腐蚀膜主要由FeS及少量FeCO₃组成;其致密性随硫离子含量增加和温度升高而增强.               

钽表面铜掺杂Ta2O5纳米棒的制备及抗菌性能研究

本实验采用两步水热法在钽基体表面制备出掺杂Cu_²⁺的Ta₂O₅纳米棒薄膜。采用XRD、SEM、XPS等方法分析了材料的物相和表面微观结构。用ICP检测了样品在生理盐水中离子析出浓度,最后通过平板计数法检验了不同含量铜掺杂Ta₂O₅薄膜的抗菌能力。结果表明,通过两步水热处理,在钽表面生成了简单斜方晶体结构的Ta₂O₅纳米棒阵列,Cu_²⁺的掺杂不会对纳米棒薄膜的微观形貌和物相造成显著影响。随时间的增加,掺铜薄膜的铜离子析出速率逐渐趋于平缓。平板计数法表明,Cu_²⁺ 的掺杂量达到2.68At%时,铜掺杂Ta₂O₅纳米棒薄膜的抗菌性能最好,抗菌率达99.2%。     

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。     

共溅射制备稀土镱掺杂Zr基非晶合金薄膜

Zr基非晶合金的实际应用受到材料本证脆性以及苛刻的制备条件的阻碍,这与其缺乏滑移剪切带和有限的非晶形成能力密切相关。因此,本文通过磁控共溅射成功制备了稀土镱(Yb)掺杂Zr基非晶合金薄膜,采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)、能谱分析(Energy dispersive spectrometer,EDS)、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)和接触角测试仪等测试手段研究了(Zr₄₈Cu₄₄Al₈)_1-xYb_x(x.at%)合金的非晶形成能力及薄膜性能与稀土掺杂浓度的关系。结果表明：掺杂Yb原子浓度为9.37 at%时合金体系具有最强的非晶形成能力。随着稀土Yb溅射功率的增加,XRD低角度出现的预峰逐渐消失,膜层由单相Zr基非晶演变成双相非晶,特别是当功率大于50 W时XRD中出现新的非晶衍射峰,该衍射峰强度随功率增加而增强,因此获得单相Zr基非晶薄膜层的最佳掺杂功率为10 W,此时膜层中稀土元素均匀分布。同时,非晶薄膜表面粗糙度随Yb靶溅射功率增加出现极值点,30 W时薄膜对应的接触角为104.9°,呈现疏水性能。因此,稀土Yb掺杂对Zr基非晶形成能力和薄膜性能产生了显著影响。     

Mo和C含量对AlCrN薄膜组织和性能的影响

AlCrN 薄膜因其具有优异的力学性能广泛应用于金属切削领域,Mo 和 C 的掺杂对提高 AlCrN 薄膜的硬度和耐磨性有理论上的可行性,然而 Mo 和 C 元素的共同作用对 AlCrN 薄膜的组织结构、力学性能及摩擦学性能的影响仍须进一步探索。使用中频反应磁控溅射和热丝弧离子镀复合薄膜设备在硬质合金和 Si(100)表面制备 AlCr(MoC)N 薄膜。使用 SEM、XRD 和 EDS 分析薄膜的微观形貌、物相组成和元素含量,采用纳米压痕测试仪、摩擦磨损试验仪和 3D 轮廓仪表征薄膜的硬度、耐磨损性并观察薄膜的磨痕形貌。结果表明：随着 MoC 镶嵌靶(Mo 和 C 等面积)电流的增加,Mo 和 C 元素含量上升,当 MoC 靶电流为 2.5 A 时,薄膜中 Mo 和 C 的含量分别升至约 14.6 at.%和 9.1 at.%。与 AlCrN 薄膜相比,AlCrMoCN 薄膜中出现 β-Mo₂N 和 γ-Mo₂N 相,c-CrN 相的生长从高表面能(111)面转变为低表面能(200)面。随着 Mo 和 C 元素含量的增加,薄膜硬度先增加后减小,靶电流为 1 A 时薄膜硬度达到最大值 35±0.5 GPa,在 MoC 靶电流为 2.5 A 时,薄膜出现可由 SEM 观察到的纳米多层结构,此时 AlCrMoCN 薄膜硬度下降至约 23±1 GPa。随着 Mo 和 C 元素含量的增加,薄膜的残余压应力由 4.8±1 GPa 减小至 2.2±0.1 GPa。与无 Mo 和 C 薄膜相比,Mo 和 C 的掺杂有利于降低 AlCrN 薄膜的摩擦因数,Mo 和 C 含量增高,薄膜的摩擦因数大小呈现相近的趋势。AlCrMoCN 薄膜在与 Si₃N₄对偶球对磨时获得相较于 Al₂O₃对偶球更低的磨损率。对比分析 AlCrN 薄膜在不同 Mo 和 C 含量下的力学性能及摩擦学性能,揭示 Mo 和 C 的作用机理,可对其实际应用场景提供指导。     

高结晶度CrN纳米粒子掺杂的DLC薄膜的显微结构及力学性能

采用高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积(HPPMS-PIID)和常规直流磁控溅射复合的方法设计制备了包含高结晶度的CrN纳米粒子的DLC薄膜,并对不同C靶电流时制备的CrN-DLC薄膜的形貌、结构及性能进行了研究.结果表明,随C靶电流的增加,薄膜中的含C量增加,在较高的C含量时形成了明显的DLC薄膜特征,掺杂相主要成分为高度200择优取向的CrN纳米晶,其最小晶粒尺寸为42.39 nm.薄膜中的C主要以C-sp~2,C-sp~3和CN-sp~3键的形式存在,sp~3键的总含量为sp~2总含量的44.8%.所制备的薄膜具有很好的膜基结合力(临界载荷Lc=66.8 N)和较高的纳米硬度(最高达24.3 GPa).     

O2/Ar流量比及退火对氧化锆薄膜结构及摩擦学性能的影响

采用多弧离子镀(MAIP)方法在 Inconel 718 高温合金基体上沉积了氧化锆(ZrO_x )薄膜,并对该薄膜进行了 800 ℃退火处理;研究了 O₂ / Ar 两种气体流量比 R_{O2/ Ar}(0. 25、0. 43、0. 67、1. 00、1. 50)及退火处理对沉积态薄膜的微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响。 结果表明:随着 R_{O2/ Ar} 从 0. 25 升高到 1. 50,沉积态薄膜的主要物相组成由不稳定的锆的氧化物(h-ZrO_{0. 35} 、h-ZrO₂ 、h-Zr₃O)逐渐转变为稳定的 m-ZrO₂ ,薄膜截面结构由起初疏松的柱状晶逐渐转变为排列致密的柱状晶,薄膜硬度逐渐升高,O₂ / Ar 比为 1. 50 时最大为 16. 7 GPa。 低 R_{O2/ Ar} 下沉积的薄膜摩擦学性能很差,很快磨穿失效。 当 R_{O2/ Ar} 超过 0. 67 时,薄膜的摩擦寿命显著提高,R_{O2/ Ar} 为 1. 50 时薄膜磨损率最低为 1. 45×10^-6 mm³ / (N·m)。 沉积态薄膜经过退火处理后主要物相转变为 m-ZrO₂ ,薄膜表面变得更加光滑致密,薄膜硬度、弹性模量以及摩擦学性能均较退火前明显改善。     

靶电流对非平衡磁控溅射制备无氢碳膜结构与性能的影响

利用非平衡磁控溅射(UBMS)技术在硅基片上制备了无氢碳膜,并采用Raman光谱、X射线衍射、傅立叶变换光谱等手段对不同靶电流下沉积的薄膜的微观结构、沉积速率、粗糙度、表面接触角及红外透过率进行了研究.试验结果表明:随着靶电流的增大,薄膜的沉积速率增大,薄膜中sp3键含量增加,薄膜表面接触角增大,红外透过率增大;而薄膜的粗糙度随靶电流增加而减小.靶电流是影响非平衡磁控溅射制备无氢碳膜结构与性能的1个主要因素.     

梯度掺杂和纳米多层调制类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用阴极电弧结合离子源辅助磁控溅射复合技术,充分利用薄膜组成多元化、晶体纳米化、组成和结构多层化、梯度化的优势,分别制备了多元素复合过渡层缓冲的钨元素梯度掺杂的和Cr元素纳米多层调制的类金刚石(DLC)薄膜,研究掺杂元素含量和调制层厚度对薄膜组成与结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。梯度掺杂、多元、多层结构降低了DLC膜和钢基体之间因组成和结构不同产生的应力,改善了膜基结合力,材料综合耐磨损性能大幅度提高。     

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.     

Effect of laser fluences on the structure of carbon nitride films deposited by direct current plasma assisted pulsed laser ablation

Carbon nitride films were deposited by direct current plasma assisted pulsed laser ablation of a graphite target under a nitrogen atmosphere at room temperature. The surface morphology, composition and bonding structure of the deposited films were characterized by atomic force microscopy (AFM), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, Raman, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The effect of laser fluences in the range 0.5–3 J/cm² on the surface morphology, composition and bonding structure of the carbon nitride films were systematically studied. As laser fluence is increased, AFM results show a great decrease in the surface roughness of carbon nitride films. FTIR and XPS results indicate an increase in the N/C ratio and the content of N atoms bonded to sp³ C, as well as a decrease in the content of H atoms and the content of N atoms boned to sp² C in the deposited films, and Raman spectra indicate an increase in the content of disordered sp² C atoms and the sp² cluster size. The increase in the film density and the decrease in the particle fraction contribute to the decrease of surface roughness with increasing laser fluence.     

钢表面离子束改性类金刚石膜层性能

离子束沉积类金刚石膜是钢表面改性的一项新技术。类金刚石改性膜层显微硬度和表面电阻率在特定轰击能量下出现峰值 ;双离子束轰击混合界面可以提高膜层显微硬度 ,并使峰值向低能量方向偏移 ,而且大大增强膜基结合强度。在大气环境中 ,改性膜层对钢的摩擦系数达到 0 0 80～ 0 1 80 ,在摩擦过程中起减摩作用。另一方面 ,类金刚石膜层显著提高钢的耐磨性 ,试验表明 ,40Cr钢表面镀膜后其磨损量是镀膜前的 1 /2 74。类金刚石膜由于使 2Cr1 3不锈钢在 3 5%NaCl溶液中的自然电位Ecorr和点蚀击穿电位Eb 增大 ,因而明显增强钢的抗点蚀能力。     

选择性键合金属-类金刚石复合薄膜的性能研究

目的研究具有选择性键合作用的掺杂金属元素(Cu、Al、Ti)对类金刚石(DLC)薄膜的结构和摩擦学性能的影响。方法以高纯石墨及其与金属复合靶作为靶材,采用离子源镀膜技术分别在n-型(100)单晶硅片和抛光304不锈钢片基体上制备金属-DLC复合膜。采用514.6 nm氩离子激发源的Raman光谱仪,对金属-DLC复合薄膜进行拉曼光谱分析。采用努氏硬度计和表面轮廓仪测量计算薄膜的硬度和残余应力。采用原子力显微镜(AFM)观察DLC薄膜的表面形貌和结构。使用球-盘滑动磨损试验机对DLC复合薄膜进行摩擦学性能分析。结果类金刚石薄膜中掺入不同金属元素掺杂后,摩擦系数保持相对稳定,但磨损率存在较大差异。无掺杂DLC膜中的sp~3键含量最高,薄膜硬度高,残余应力大,在摩擦过程中易脱落。Ti-DLC金属复合膜的表面质量最好,结构致密,残余应力释放的同时保持较高的硬度,测得其磨损率最低,为0.13×10~(-15) m~3/nm。结论通过在DLC膜中掺杂不同键合能力的金属元素能够调控DLC薄膜的微观结构,改善薄膜的力学性能(硬度、残余应力),提高薄膜的抗磨损性能。薄膜的摩擦学性能与薄膜的微观结构与金属掺杂元素的存在形态有关。     

脉冲偏压对直流磁控溅射沉积MoN薄膜结构及性能的影响

MoN薄膜是一种具有潜在应用价值的薄膜材料,但对于其结构和性能的研究还较少。采用直流磁控溅射技术在304不锈钢基体表面沉积MoN薄膜,研究了脉冲偏压对MoN薄膜结构和性能的影响,并系统研究了MoN薄膜在不同摩擦条件下的摩擦磨损行为。采用X射线衍射仪和扫描电镜分析薄膜的晶相结构、晶粒尺寸、表面及断面形貌,采用HMV-2T显微硬度仪测试薄膜的显微硬度。采用UMT-TriboLab多功能摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能,并用扫描电镜观察磨损表面,分析其磨损机制。结果表明：脉冲偏压显著影响直流磁控沉积的MoN薄膜的晶相结构、表面形貌、断面结构、硬度和摩擦磨损性能;随脉冲偏压的增大,MoN薄膜的膜厚、硬度都先增大后减小,而薄膜的磨损率却先减小后增大,其中-500 V脉冲偏压下沉积的MoN薄膜具有最高硬度为7731 N/mm²,以及最低的磨损率为5.8×10^-7 mm³/（N·m）。此外,MoN薄膜在不同载荷和转速的摩擦条件下表现出不同的摩擦学行为。     

Influence of substrate surface topography in the deposition of nanostructured diamond-like carbon films by high density plasma chemical vapor deposition

In this work, we have studied the influence of the substrate surface condition on the roughness and the structure of the nanostructured DLC films deposited by High Density Plasma Chemical Vapor Deposition. Four methods were used to modify the silicon wafers surface before starting the deposition processes of the nanostructured DLC films: micro-diamond powder dispersion, micro-graphite powder dispersion, and roughness generation by wet chemical etching and roughness generation by plasma etching. The reference wafer was only submitted to a chemical cleaning. It was possible to see that the final roughness and the sp³ hybridization degree strongly depend on the substrate surface conditions. The surface roughness was observed by AFM and SEM and the hybridization degree of the DLC films was analyzed by Raman Spectroscopy. In these samples, the final roughness and the sp³ hybridization quantity depend strongly on the substrate surface condition. Thus, the effects of the substrate surface on the DLC film structure were confirmed. These phenomena can be explained by the fact that the locally higher surface energy and the sharp edges may induce local defects promoting the nanostructured characteristics in the DLC films.     

Microstructural, mechanical and tribological properties of tungsten-gradually doped diamond-like carbon films with functionally graded interlayers

A series of tungsten-gradually doped diamond-like carbon (DLC) films with functionally graded interlayer were prepared using a hybrid technique of vacuum cathodic arc/magnetron sputtering/ion beam deposition. With ‘compositionally graded coating’ concept, the deposition of wear-resistant carbon-based films with excellent adhesion to metallic substrate was realized. In the films, a functionally graded interlayer with layer sequence of Cr/CrN/CrNC/CrC/WC was first deposited onto the substrate, and then, a DLC layer doped with gradually decreasing content of W was coated on. The W concentration gradient along depth of the film was tailored by adjusting the W target current and deposition time. The characterized results indicate that the microstructural, mechanical and tribological properties of these films show a significant dependence on the W concentration gradient. A high fraction of W atom in carbon matrix can promote the formation of sp² sites and WC_1 − x nanoparticles. Applying this coating concept, strongly adherent carbon films with critical load exceeding 100 N in scratch test were obtained, and no fractures or delaminations were observed at the end of the scratched trace. The hardness was found to vary from 13.28 to 32.13 GPa with increasing W concentration. These films also presented excellent tribological properties, especially significantly low wear rate under dry sliding condition against Si₃N₄ ball. The optimum wear performance with friction coefficient of 0.19 and wear rate of 8.36 × 10⁻⁷ mm³/Nm was achieved for the tungsten-gradually doped DLC film with a graded W concentration ranging from 52.5% to 17.8%. This compositionally graded coating system might be a potentially promising candidate for wear-resistant carbon-based films in the demanding tribological applications.