表面掺金属类金刚石薄膜大幅度提高CoCrMo合金的摩擦磨损性能

正中南大学材料科学与工程学院和广州有色金属研究院新材料研究所谭笛、代明江、林松盛、胡芳、周宏明、赵齐采用非平衡磁控溅射结合阳极型气体离子源技术在CoCrMo合金表面制备出掺钨类金刚石薄膜(WDLC)和掺钛类金刚石薄膜(TiDLC)。利用努氏显微硬度计、结合力划痕仪、摩擦磨损试验机、表面形貌仪和洛氏硬度计表征膜层的力学性能,并用扫描电镜分析磨损形貌,探讨薄膜磨损机理。结果表明:所制备的2种薄膜均具有典     

盐雾腐蚀条件下Ti合金表面功能薄膜的摩擦磨损性能

目的研究Ti6Al4V合金、铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜、钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜和氮化钛(TiN)薄膜,在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下的摩擦磨损性能。方法在商用Ti6Al4V合金表面通过非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜和W-DLC薄膜,通过多弧离子镀技术制备TiN薄膜。利用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪,对薄膜的形貌、硬度、干摩擦和腐蚀摩擦性能、磨痕形貌进行测试分析。结果干摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面沉积Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜的摩擦系数均比Ti6Al4V合金低;Ti6Al4V合金及其表面制备的三种薄膜在盐雾腐蚀气氛条件下的摩擦系数都比干摩擦条件下有所增加。与Ti6Al4V合金相比,Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下均减小了磨损体积。干摩擦条件下,W-DLC薄膜的磨损体积为0.0017 mm~3,耐磨性最好;盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,TiN薄膜的磨损体积为0.0028 mm~3,表现出最佳的耐腐蚀磨损性能。通过磨痕形貌可以得出,盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面制备的金属掺杂类金刚石薄膜的磨损受到磨粒磨损和腐蚀磨损双重机制的影响。结论三种表面功能薄膜在盐雾腐蚀气氛摩擦条件下都较好地保护了Ti合金,极大地减少了磨损损失。     

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。     

Cr基过渡层对钛合金表面类金刚石薄膜摩擦学性能的影响

采用磁控溅射技术在钛合金(Ti6Al4V)表面制备Cr、Cr/Cr N和Cr/Cr N/Cr NC过渡层结构的类金刚石(DLC)薄膜。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪与原子力显微镜分析薄膜的结构和表面形貌,利用纳米压痕仪、薄膜内应力测试仪、划痕测试仪、摩擦试验机和二维轮廓仪研究薄膜的硬度、内应力、结合力和摩擦磨损性能。结果表明:随着Cr基梯度过渡层的引入,DLC薄膜的内应力逐渐下降,结合力逐渐上升。Cr/Cr N/Cr NC/DLC薄膜具有优异减摩抗磨性能,摩擦因数和磨损率低至0.09±0.02和(1.89±0.15)×10-7 mm3/N·m。试验结果对钛合金表面高性能DLC薄膜制备及应用具有一定的参考价值和指导意义。     

钛合金表面大气压等离子体枪制备类金刚石薄膜

在大气下,采用大气压介质阻挡放电(DBD)等离子体枪在低温下(350℃),以甲烷为单体,氩气为工作气体,在Ti6Al4V钛合金表面制备一层类金刚石薄膜(DLC),以期改善钛合金表面摩擦学性能。利用激光拉曼(Raman)光谱和X射线光电子能谱(XPS)分析了所制备DLC薄膜的结构;利用扫描电子显微镜(SEM)观察DLC薄膜的表面形貌;利用划痕仪测量了DLC薄膜与基体的结合力;利用球-盘摩擦磨损实验仪对DLC薄膜的耐磨性能进行了研究。结果表明:在本实验工艺条件下沉积的类金刚石薄膜厚度约为1.0μm,薄膜均匀且致密,表面粗糙度Ra为13.23nm。类金刚石薄膜与基体结合力的临界载荷达到31.0N。DLC薄膜具有优良的减摩性,Ti6Al4V表面沉积DLC薄膜后摩擦系数为0.15,较Ti6Al4V基体的摩擦系数0.50明显减小,耐磨性能得到提高。     

20CrNiMo钢表面空心阴极辉光放电制备类金刚石膜

在真空炉内以石墨为电极,利用空心阴极辉光放电在20CrNiMo上成功地沉积了类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)薄膜.利用激光拉曼(Baman)光谱分析了所制备DLC薄膜的结构;利用原子力显微镜(AFM)分析了DLC薄膜的表面形貌;利用划痕仪测量了DLC薄膜与基体的结合力并用扫描电子显微镜(SEM)观察了划痕形貌;利用球-盘摩擦磨损实验仪对DLC薄膜的耐磨性能进行了研究.结果表明:在本实验工艺条件下沉积的类金刚石薄膜厚度约为0.6μm,薄膜均匀且致密,表面粗糙度Ra为7～8 nm.类金刚石薄膜与基体结合较紧密,临界载荷达到52 N.DLC薄膜具有优良的减摩性,20CrNiMo表面沉积DLC薄膜后摩擦系数为0.15,较20CrNiMo基体的摩擦系数0.50明显减小,耐磨性能得到提高.     

含氢掺硅类金刚石薄膜的制备及性能表征

采用磁控溅射和离子源复合沉积技术,在Si片、模具钢和硬质合金上制备了均匀致密的含氢掺硅类金刚石薄膜.先用正交法优化含氢类金刚石薄膜的制备工艺,然后通过控制中频碳化硅靶的功率密度向含氢类金刚石膜层中成功掺人Si元素.采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、硬度计、划痕仪和摩擦磨损试验机等手段测试和研究了膜层的形貌、成分、sp3和sp2含量及其性能.结果表明:优化后含氢类金刚石薄膜的制备工艺为:30 mL/min甲烷流量,100 V偏压,0.8A离子源电流;所制备的含氢掺硅类金刚石薄膜是非晶结构,膜厚2.20 μm,膜、基结合力为30 N,膜层硬度达到2039 HV.含氢掺硅类金刚石薄膜的摩擦因数受环境湿度变化很小,可应用于精密传动部件提高其使用精度.     

类金刚石薄膜的摩擦学特性研究进展

类金刚石薄膜(DLC)具有优良的摩擦磨损性能,但是DLC薄膜的摩擦学特性强烈依赖于制备技术、摩擦接触点的表面化学状态和物理状态,因此进一步提高类金刚石薄膜的摩擦学特性是目前的热门研究方向之一.在综合分析了近年来该领域研究的基础上,总结了影响DLC薄膜摩擦学性能的因素,并分析了各个因素的影响机理,以期找出一些规律为适应类...     

超高分子量聚乙烯表面沉积类金刚石膜的摩擦磨损性能

利用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)表面制备类金刚石(DLC)膜,用激光拉曼(Raman)光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)分析了DLC膜的形貌及结构特征,纳米硬度法测定DLC膜的纳米硬度。并在UMT-Ⅱ型摩擦磨损试验机上评价了DLC膜在牛血清溶液润滑条件下的摩擦磨损性能。结果表明,UHMWPE表面制备的DLC膜具有典型类金刚石薄膜的Raman光谱特征,属含氢a-C:H膜。表面沉积DLC膜可有效提高UHMWPE的表面硬度,改善表面润湿性能。25%牛血清润滑条件下,DLC膜UHMWPE的摩擦因数有所升高,但磨损率则有明显下降。UHMWPE磨损表面存在严重的犁削磨损和塑性变形,DLC膜磨损表面主要以剥层磨损为主。     

边界润滑条件下薄膜碎片对W-DLC薄膜磨损性能的影响

为研究边界润滑条件下薄膜碎片对钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜的摩擦磨损性能的影响规律,分别在M50高温轴承钢和(100)晶向的Si片表面制备W-DLC薄膜,并且采用刻蚀法去除Si获得W-DLC薄膜碎片。采用Raman光谱和扫描电镜研究薄膜和碎片的结构,利用摩擦磨损试验机和三维白光干涉仪对添加碎片后的薄膜的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:在载荷分别为2、5和10 N时,由于加入定量薄膜碎片后摩擦体系的平均摩擦因数分别增大2%、4%和10%;而载荷由2 N提高到5 N和10 N时,摩擦体系的平均摩擦因数从0.1277减小到0.1131再减小到0.1031。在载荷与薄膜碎片耦合作用下,薄膜的磨痕宽度、深度和体积都增大。通过磨损形貌的观察发现,W-DLC薄膜在边界润滑条件下的磨损受到了磨粒磨损机制的控制,在摩擦接触表面上呈现典型的犁沟特征。     

偏压对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

目的通过调节偏压,改善无氢DLC薄膜的微观结构,提高其力学性能和减摩抗磨性能。方法采用离子束辅助增强磁控溅射系统,沉积不同偏压工艺的DLC薄膜。采用原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌,采用拉曼光谱仪对薄膜的微观结构进行分析,采用纳米压痕仪测试薄膜硬度及弹性模量,采用表面轮廓仪测定薄膜沉积前/后基体曲率变化,并计算薄膜的残余应力,采用大载荷划痕仪分析薄膜与不锈钢基体的结合力,采用TRB球-盘摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦学性能,采用白光共聚焦显微镜测量薄膜磨痕轮廓,并计算薄膜的磨损率。结果偏压对DLC薄膜表面形貌、微观结构、力学性能、摩擦学性能都有不同程度的影响。偏压升高导致碳离子能量升高,表面粗糙度呈现先减小后增加的趋势,-400V的薄膜表面具有最小的表面粗糙度且C─C sp^3键含量最多,这也导致了此偏压下薄膜的硬度最大。薄膜的结合性能与碳离子能量大小呈正相关,-800 V时具有3.98 N的最优结合性能。不同偏压工艺制备的薄膜摩擦系数随湿度的增加,均呈现减小的趋势,偏压为-400V时,薄膜在不同湿度环境中均显示出最优的摩擦学性能。结论偏压为-400 V时,DLC薄膜综合性能最优,其表面粗糙度、硬度、结合力和摩擦系数分别为2.5 nm、17.1 GPa、2.81 N和0.11。     

类金刚石薄膜改性钛合金的扭动摩擦磨损特性

以Ti6Al4V合金、类金刚石薄膜(DLC膜)改性Ti6Al4V合金分别与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)配副,模拟颈椎间盘的轴向旋转运动,并在改装后的多自由度磨损试验机上进行扭动摩擦试验。结果表明:随着循环周次的增加,两对摩擦副均呈现出摩擦扭转力矩、摩擦耗散能、磨损量相应增大的趋势。与Ti6Al4V合金相比,DLC薄膜改性后的Ti6Al4V合金摩擦副接触界面间摩擦扭转力矩降低了51.6%、摩擦耗散能降低了48%,进入完全滑移状态的时间缩短,具有更好的耐磨性。Ti6Al4V合金的磨损机制表现为严重的磨粒磨损,经DLC薄膜改性后的钛合金的磨损形式以应力集中产生的脆性剥落为主。DLC薄膜增大了对磨副UHMWPE的磨损,UHMWPE的磨损机制是粘着磨损和磨粒磨损综合作用的结果。     

类金刚石薄膜的摩擦性能及其应用

首先从成键结构的角度分析了DLC薄膜摩擦性能的由来,然后分别从DLC薄膜的沉积工艺(包括制备方法、气源种类和掺杂元素)、摩擦环境条件和基底材料选择等三方面入手,讨论了影响DLC薄膜摩擦性能的主要因素及其影响规律。经过总结发现,通过调节DLC薄膜的沉积工艺可以改变DLC薄膜中sp~2杂化碳的含量以及氢的含量,进而影响DLC薄膜的摩擦性能;真空、惰性气体和低湿环境有利于获得更好的摩擦效果;过渡层和偏压有利于提高DLC薄膜与基底之间的附着力,其摩擦性能也会得到提升。最后对DLC薄膜在机械加工及耐磨器件、光学和电子保护以及生物医学领域的应用进行了综述,并对应用过程中存在的两大问题——DLC薄膜的内应力和热稳定性进行了分析,归纳了一些具体的解决方案,并对DLC薄膜的发展趋势进行了展望。     

Improving tribological properties of Ti6Al4V alloy with duplex surface treatment

Ti-doped diamond like carbon films were deposited on both untreated and plasma nitrided Ti6Al4V alloy using Closed Field Unbalanced Magnetron Sputtering (CFUMBS) method and their tribological properties were evaluated by conducting sliding wear conditions. The influence of the nitrided layer on tribological behavior of Ti-DLC films was studied by means of XRD, SEM, scratch tester, microhardness tester and pin-on-disc tribotester. The microhardness results pointed out that the duplex treatment dramatically increased the surface hardness and reduced the plastic deformation of the alloy. Wear tests showed that Ti-DLC coatings on both untreated and nitrided surfaces caused a reduction in the coefficient of friction. The reason of the reduction in the coefficient of friction was found to be the formation of transfer film between the sliding surfaces. Wear rates demonstrated that wear resistance of duplex treated (Ti-DLC coating after nitriding) Ti6Al4V alloy was significantly improved.     

磁控溅射MoS2-Ni复合膜的结构与性能研究

目的提高MoS_2薄膜在大气环境下的摩擦学性能。方法采用离子源复合磁控溅射技术制备了Mo S2-Ni复合膜,通过改变Ni靶功率获得不同Ni掺杂量的复合膜,研究不同Ni掺杂量对复合膜结构及摩擦学性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、洛氏硬度计、球-盘式摩擦磨损试验机以及3D轮廓仪,对复合膜显微结构和性能进行研究。结果复合膜以柱状晶结构生长,增加Ni含量可以细化晶粒,使复合膜的结构更加致密。复合膜硬度在250~446HV之间,且随Ni含量的增加,复合膜的硬度提高。复合膜具有良好的膜/基结合力,结合力达到HF1级。MoS_2-Ni复合膜的摩擦系数在0.10~0.23之间,随Ni含量的增加,虽然复合膜的摩擦系数增加,但由于磨损过程形成稳定的转移膜粘着在对磨球表面,因而使得磨损率降低,耐磨寿命提高。结论 Ni掺杂可以提高复合膜的致密度、硬度以及结合力,增强复合膜的耐磨性能。     

Cr/WC/DLC薄膜的多环境摩擦学性能

采用磁控溅射法,在304不锈钢上制备Cr/WC/DLC多层梯度过渡类金刚石薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、纳米压痕仪、划痕测试仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机考察其在大气、去离子水、发动机油3种环境下的摩擦学性能。结果表明:该薄膜的多层梯度设计使其膜基间结合力得到了有效改善,且硬度高达32.6GPa,在3种环境下均具有优异的摩擦学性能。在大气环境下,薄膜具有较低的平均摩擦因数,为0.094;但具有3种环境下最大的磨损率,为7.86×10-8 mm3(N·m)-1;在去离子水环境下,薄膜的平均摩擦因数较高,为0.124;而其磨损率较低,为5.26×10-8 mm3(N·m)-1;在发动机油环境下,固-油复合润滑效应使薄膜具有更加优异的摩擦学性能,其平均摩擦因数和磨损率均为3种环境下的最小值,分别为0.065和4.44×10-8 mm3(N·m)-1。     

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。     

高熵合金薄膜微观结构与摩擦学性能的研究综述

在机械系统运行中存在的摩擦磨损问题直接影响系统的工作效率、运行可靠性和使用寿命。如何降低摩擦磨损对机械系统运行的影响至关重要。通过特殊的表面处理工艺在关键工件表面沉积耐磨损、自润滑的薄膜在众多的减摩降损方法中效果突出。相较于传统薄膜,高熵合金薄膜具有独特的微观结构和优异的力学性能,在摩擦领域表现出极佳的发展潜力。概述了近年来有关高熵合金薄膜的研究进展。首先介绍了高熵合金薄膜的基本概念和制备方法,论述了这些制备方法的原理、优缺点和适用领域。其中,通过磁控溅射法制备的高熵合金薄膜的表面光滑致密、成分均匀性好、膜基结合强度较高、组织结构可控,该方法已成为高熵合金薄膜最常用的制备方法。重点论述了采用磁控溅射法来调节元素组分、工艺参数、界面结构对高熵合金薄膜的微观结构和摩擦性能的影响,并从耐磨损性和减摩自润滑性等方面分析改善高熵合金薄膜摩擦学性能的关键因素。高熵合金薄膜具有硬质的组织结构、表面光滑致密、膜基结合牢固等特点,这是提升耐磨损性能的关键。通过复合自润滑相或氧化磨损诱导生成致密的润滑膜,可显著改善其减摩性能。总结了目前研究中存在的问题和不足,并就未来高熵合金薄膜在摩擦领域的研究方向进行了展望。     

等离子喷涂WC-12Co/NiCrAl复合涂层的摩擦磨损特性

以NiCrAl涂层为粘结层,用等离子喷涂工艺在TC4钛合金表面制备了WC-12Co/NiCrAl复合涂层。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度仪等手段分析了涂层微观形貌、化学成分和显微硬度,并用磨损试验考察了WC-12Co/NiCrAl复合涂层的摩擦磨损特性。结果表明:WC-12Co涂层表面未熔颗粒较多,涂层截面孔隙率为10.2%;WC发生部分分解,出现W2C、Co6W6C等新相;涂层与基体结合界面为机械结合+局部微冶金结合方式;显微硬度为双态Weibull分布,呈现不同位置结构的差异化。WC-12Co涂层表现出良好的减摩及耐磨性能,同载荷下摩擦因数低于基体,磨损失重为基体的1/10,磨粒磨损是其主要磨损机制。