物理气相沉积中等离子体参数表征的研究进展

物理气相沉积作为制备表面防护薄膜的重要方法,一直是表面薄膜领域研究重点,而物理气相沉积中等离子体作为直接影响薄膜性能的关键因素,其参数的表征对优化沉积工艺和提高薄膜性能具有重要指导意义.概述了常用物理气相沉积方法及其发展,包括电弧离子镀、磁控溅射和电弧磁控复合技术的原理及发展历程.归纳了目前生产中常用的等离子体参数表征方法——Langmuir探针法、汤姆逊散射法、微波干涉法和发射光谱法,阐明了这些表征方法诊断等离子体参数的原理,分析了不同表征方法的优缺点和存在的主要问题,并对常用物理气相沉积中等离子体参数表征相关研究的发展和现状作了综合论述和总结,分别整理了电弧离子镀和磁控溅射中等离子体参数诊断的发展历程和近期研究.两种物理气相沉积方法最常用的等离子体参数表征方法都是Langmuir探针法和发射光谱法,早期的研究侧重于探索等离子体瞬态参数和薄膜结构性能的关系.随着现代技术的进步,早期诊断方法不断与新技术融合,研究方向也逐渐偏向于研究等离子体参数的时间变化和优化薄膜工艺、性能评价方法.最后分析了当前物理气相沉积中等离子体参数表征存在的问题和不足,展望了等离子体参数未来的研究趋势.     

偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

目的 通过系统研究电弧离子镀偏压对四面体非晶碳膜(ta-C膜)结构及性能的影响规律,阐明偏压对ta-C膜结构及性能的影响机制,为拓展ta-C膜的应用提供一定的理论依据.方法 改变电弧离子镀偏压工艺,在硬质合金基体表面沉积ta-C单层膜.采用场发射扫描电子显微镜(SEM)表征ta-C膜表面及截面显微形貌,采用Raman光谱和X射线电子能谱(XPS)表征ta-C膜物相结构,利用划痕仪测量ta-C膜结合力,采用应力仪测试ta-C膜残余应力,利用压痕试验及纳米硬度计测量ta-C膜韧性及硬度,采用摩擦磨损试验机测试ta-C膜摩擦磨损性能.结果 随着偏压升高,ta-C膜表面大尺寸碳颗粒数量逐渐增加,小尺寸碳颗粒由于反溅射作用,其数量逐渐减少;ta-C膜硬度、sp3键含量及残余应力先升高后降低,偏压为?180 V时达到最大;ta-C膜与基体结合力先增加后降低,偏压为?140 V时达到最大;耐磨性表现为先升高、后下降的趋势,偏压为?140 V时,磨损率最低,达1.39×10?7 mm3/(N·m).结论 随着偏压升高,ta-C膜沉积到基体表面入射能量升高,表面大颗粒数量逐渐增多,膜层内残余应力增加,硬度升高,耐磨性增加;但随着偏压的继续升高,膜层表面小尺寸颗粒由于反溅射作用逐渐减少,膜层内石墨化程度增加,ta-C膜耐磨性下降.     

掺杂元素对TiAlN涂层结构及性能的影响

TiAlN涂层具有良好的化学稳定性、高的热硬性、良好的抗氧化性、高的膜/基结合力以及优异的耐磨性,是目前应用范围最广的工具表面硬质涂层之一,适合各种干切削场合并逐步替代Ti N涂层。随着高速切削的快速发展,TiAlN涂层逐渐难以满足现代刀具高速切削的要求,针对TiAlN基多元涂层的研究在近几年得到了国内外广泛的关注,通过掺杂微量元素对TiAlN涂层结构及性能进行优化是提升TiAlN涂层综合性能的有效方法。本文重点讨论Si、Cr、Y、V和B等元素对TiAlN涂层结构和性能的影响,为TiAlN硬质涂层进一步开发应用提供一定的依据。     

细长管内壁涂层技术进展及应用现状

内壁涂层技术是一种可以降低管内内容物对管壁损伤的有效方法,能有效的提升细管零件的使用寿命和服役安全性.近年来,在细长管内壁涂层制备技术也受到越来越多的关注,并在制备技术和应用方面均取得了重要的进展.系统介绍了目前国内外应用于内壁涂层制备技术的发展历史及其分类,重点对热浸镀、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积技术在细管内壁涂层制备的成膜机理进行了详细的论述.基于细管内壁涂层技术的发展和应用状况,从理论研究、使用环境、技术工程化应用等方面,总结了现有研究和应用中的成果及存在的问题.重点从涂层材料体系、基体特性、厚度均匀性控制以及界面结合特征几个方面分别对上述技术的潜在应用前景进行了分析和展望.     

TiAlN涂层高温行为的研究进展

综述了关于TiAlN涂层的高温结构转变、高温氧化行为及机理、高温磨损行为、高温力学性能、高温腐蚀行为等方面的研究进展,为TiAlN涂层的技术开发提供一定的理论基础。     

真空阴极多弧离子镀不同厚度四面体非晶碳薄膜的结构和性能

以真空阴极多弧离子镀技术在P(100)型单晶抛光硅衬底和YG6硬质合金上制备了四面体非晶碳(ta-C)薄膜。用扫描电镜(SEM)测量薄膜厚度,并观察其表面及断面形貌;用X射线衍射仪(XRD)分析薄膜的相组成;用拉曼光谱标定薄膜中的sp3键和sp2键;用轮廓仪测量薄膜的表面粗糙度;用划痕法和压痕法测试了膜/基结合强度。在0.5~1.5μm的厚度范围内,随着ta-C薄膜厚度增加,薄膜的sp3键含量逐渐降低,表面碳颗粒数量及尺寸逐渐增加,与YG6基体的结合强度不断降低。0.5μm厚的ta-C薄膜具有最小的表面粗糙度(0.17μm),最高的结合强度(剥离时的临界载荷为61 N,压痕等级为HF2),表现出最优的综合力学性能。     

脉冲偏压对电弧离子镀TiCN薄膜组织结构的影响

目的改善TiCN薄膜的组织结构,进一步提高其硬度与结合力。方法采用电弧离子镀技术,通过改变脉冲偏压的幅值,制备一系列的TiCN薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜的表面和截面形貌,采用X射线衍射(XRD)对薄膜进行物相分析,用X射线光电子谱(XPS)表征元素的化学状态,通过能谱仪(EDS)分析薄膜的成分。采用显微维氏硬度计测量薄膜硬度,使用3D轮廓仪测量薄膜厚度,利用多功能材料表面性能试验仪进行划痕测试。结果偏压对薄膜的硬度、结合力、组织结构和沉积速度都有影响。随着脉冲偏压的提高,TiCN薄膜晶粒逐渐细化,沉积速率、结合力有先增大后减小的趋势,TiCN薄膜的硬度保持线性提高。偏压为-200 V时,TiCN薄膜出现C_3N_4新相,此时薄膜的硬度和结合力都大幅度提高,表面形貌发生突变,液滴最多。偏压为-250 V时,TiCN薄膜综合性能最好,并且表面的液滴明显减少,此时硬度值为4017HV,结合力为51 N。结论偏压对组织结构及碳元素在薄膜中的存在形式有一定影响,适当地改变脉冲偏压可以使TiCN薄膜的显微组织更加致密,同时,形成的弥散硬化相使薄膜具备较高的硬度和膜基结合强度。     

轴向磁场对电弧离子镀TiN薄膜组织结构及力学性能的影响

为了研究轴向磁场对薄膜结构及力学性能的影响规律,采用电弧离子镀方法在高速钢基体上沉积了TiN薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、轮廓仪和纳米压痕仪考察了外加轴向磁场对薄膜化学成分、组织结构、硬度及弹性模量的影响。结果表明:外加轴向磁场对TiN薄膜的组织结构及力学性能有明显影响。磁场强度越高,薄膜表面颗粒及溅射坑越大,薄膜表面粗糙度增大;薄膜中N含量随着磁场强度增加而增大,而Ti含量则显示出相反的趋势;磁场对薄膜择优取向有明显影响,随着磁场强度增加,薄膜(111)取向增强,而后逐渐转变为(220)择优;薄膜硬度和弹性模量随着磁场强度增加先增加而后降低,在磁场强度为50Gs时分别达到最大值28.4GPa与415.4GPa。     

电弧离子镀电磁线圈电压对TiAlN涂层结构及性能的影响

目的 揭示电弧离子镀过程中,电磁和永磁复合磁场耦合作用下电磁线圈偏压对TiAlN涂层结构及性能的作用规律,优化TiAlN涂层制备工艺。方法 采用电弧离子镀技术在M2高速钢基体表面沉积高Al含量Ti0.33Al0.67N涂层（TiAl靶,原子数分数,Ti∶Al=1∶2）。改变电磁线圈电压,研究涂层微观组织结构、表面粗糙度、硬度、膜/基结合力和耐磨性的变化规律。结果 在15~45 V范围内,电磁线圈电压小于30 V时,Ti0.33Al0.67N涂层内部致密;线圈电压大于30 V时,涂层内部变得疏松。线圈电压为15 V时,TiAlN涂层表面粗糙度最小,为0.2 μm。随着线圈电压升高,Ti0.33Al0.67N涂层硬度增大,线圈电压为45 V时,Ti0.33Al0.67N涂层硬度达到最大,为3866HV0.025。随着线圈电压的升高,Ti0.33Al0.67N涂层膜/基结合力及耐磨性先增加后减小,线圈电压为15 V时,结合力最高,为95.4 N,磨损率达到最低,为1.62×10-15 m3/(N?m)。结论 在线圈电压较小时,随着电压的升高,作用于阴极靶材的磁场强度增加,阴极弧斑速度加快,每个弧光点维持时间缩短,能量降低,离化率升高,溅射出的液滴数量减少,涂层结构致密,粗糙度降低,硬度和耐磨性能升高;随着线圈电压进一步升高,磁场强度继续增大,弧斑运动受到的磁性束缚力增大,弧斑运动半径向靶材中心收缩,作用于固定位置的弧光累计时间更长,离化率降低,液滴增多,涂层综合性能下降。