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。     

磁控溅射NiCrAlY/MoS2复合薄膜结构与性能研究

目的 通过离子源复合磁控溅射技术,制备宽温域耐磨减摩性能良好的NiCrAlY/MoS2复合薄膜.方法 采用离子源复合磁控溅射技术制备了NiCrAlY/MoS2复合薄膜,研究不同MoS2掺杂量对薄膜结构、力学性能和不同温度氧化热处理后摩擦学性能的影响.采用能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对薄膜元素含量、组织结构和相结构进行分析.通过显微硬度计、洛氏硬度计、球-盘式摩擦磨损试验机、3D轮廓仪及高温氧化试验,对复合薄膜硬度、膜/基结合力、摩擦磨损性能和抗氧化性能进行分析.结果 NiCrAlY及NiCrAlY/MoS2复合薄膜以柱状晶结构生长,物相结构主要由Ni3Al、Ni-Cr和MoS2组成.随着MoS2含量的增加,薄膜柱状晶尺寸增加,致密度下降,薄膜硬度从503HV逐渐降到336HV.复合膜具有良好的膜/基结合力,结合力达到HF1级水平.掺杂MoS2可以明显提高复合薄膜的摩擦学性能,当MoS2掺杂量达到48.1％～69.8％时,NiCrAlY/MoS2复合薄膜在室温下具有良好的耐磨减摩性能,其摩擦因数降低至0.038～0.09,磨损率比NiCrAlY薄膜降低1个数量级以上,达到2.14×10–6 mm3/(N·m).对NiCrAlY和NiCrAlY-48.1％MoS2复合薄膜进行400℃和500℃高温氧化试验,复合薄膜氧化形成NiO、Al2O3、MoO3相,经过氧化后复合薄膜仍具有良好的耐磨性能,400℃氧化后复合薄膜磨损率降至1.41×10–6 mm3/(N·m).结论 MoS2掺杂量对NiCrAlY/MoS2复合薄膜结构和性能有重要影响,当MoS2原子数分数为48.1％时,复合薄膜在常温以及高温氧化后均具有良好的耐磨减摩性能.     

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。     

Zr靶功率对(WMoTaNb)ZrxN薄膜微观组织及性能的影响

目的 提高(WMoTaNb)ZrxN薄膜的硬度与弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损及抗烧蚀性能。方法 采用反应磁控溅射技术,通过对Zr靶功率的调控,在单晶Si和M2高速钢基体上制备不同Zr含量的(WMoTaNb)ZrxN薄膜。采用FESEM对薄膜的表面及截面形貌进行观察,利用XRD对薄膜的物相组成进行分析,采用纳米压痕仪、划痕仪和摩擦磨损试验机分别对薄膜的硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行表征,通过氧–乙炔烧蚀试验对薄膜的抗烧蚀性能进行测定。结果 (WMoTaNb)ZrxN薄膜主要由FCC和BCC固溶体结构组成,Zr元素引入后,薄膜FCC(200)晶面衍射峰消失,FCC(111)与(311)晶面衍射峰强度增强。随着Zr靶功率的增加,薄膜中Zr元素含量逐渐增加,薄膜的硬度与弹性模量先增大、后减小,膜基结合力呈现不规律变化,薄膜的抗烧蚀性能逐渐提升。薄膜的摩擦系数随着Zr靶功率的增加而增大,但维持在0.65~0.95。当Zr靶功率为40 W时,制备的薄膜硬度、弹性模量及膜基结合力均达到最大,分别为27.9 GPa、291.3 GPa、84 N,此时薄膜的磨痕深度最小为227 nm。结论 Zr靶功率为40 W时制备的薄膜硬度、弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损与抗烧蚀性能最佳。     

MoS_2对Fe-20wt%Cu基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

以Fe-20wt%Cu合金为基体,利用热压烧结法制备Fe-20wt%Cu基摩擦材料,研究了MoS_2含量对Fe-20wt%Cu基摩擦材料的组织、摩擦学性能及摩擦机理的影响。分析了MoS_2含量对复合材料密度、硬度、孔隙率和摩擦性能的影响。结果表明,MoS_2含量为3%时,该材料的摩擦系数为0.5973,磨损率为0.58×10-9kg/(N·m),此时试样摩擦磨损性能最佳。总体而言随着MoS_2含量的增加,磨损后试样表面的性能先升高后降低。     

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.     

TiCrAlSiCN薄膜微观结构与性能

采用工业化多弧离子镀在H13钢表面制备高硬度、高结合强度和低摩擦耐磨的TiCrAlSiCN硬质薄膜,以便改善H13钢的力学和摩擦学性能。借助扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱仪、透射电子显微镜、维氏显微硬度计、膜划痕试验法、摩擦磨损仪对TiCrAlSiCN薄膜的结构特征、力学性能和摩擦磨损性能进行测试与分析。结果表明,TiCrAlSiCN薄膜结构为纳米晶/非晶复合结构。高Si含量的TiCrAlSiCN薄膜200晶面呈择优取向、硬度为3934 HV0.01和2536 HV0.025、摩擦因数为0.65、磨损率为7.36×10-6 mm3·N-1·m-1、膜基结合力为62.4 N。随Si含量降低,Cr和C含量增大,薄膜无明显的择优取向,开始向各向同性转变,硬度为3613 HV0.01和2815 HV0.025、摩擦因数为0.48、磨损率为7.28×10-6 mm3·N-1·m-1、膜基结合力为68.2 N。低Si含量TiCrAlSiCN薄膜力学和摩擦学性能优异。     

离子源功率对a-C:H(Al)薄膜结构及性能的影响

目的研究离子源功率对a-C:H(Al)薄膜结构及性能的影响。方法采用阳极离子源离化CH_4气体,中频磁控溅射Al靶,通过改变离子源功率,在n(100)型单晶硅及16Mn Cr5钢基体上沉积a-C:H(Al)薄膜。利用扫描电镜、维氏显微硬度计、摩擦磨损试验机和表面轮廓仪等设备对a-C:H(Al)薄膜的结构及性能进行表征。结果薄膜的硬度均在1000HV以上。摩擦系数较低,为0.05~0.15。离子源功率为450 W时,薄膜摩擦系数和结合力均出现了最优值,分别为0.05和21.46 N。离子源功率在550 W时,磨损率达到最低值,为3.59×10~(-7) mm~3/(N·m)。结论离子源功率较低时,薄膜表面较疏松,随着离子源功率的增加,薄膜逐渐趋于平整致密。随离子源功率的增加,薄膜的硬度增大,薄膜的结合力先增大后减小,而薄膜的摩擦系数先减小后增大,磨损宽度减小,磨损深度降低,磨损率减小。     

SiC基底HFCVD金刚石薄膜摩擦磨损性能

利用热丝化学气相沉积技术在碳化硅基底上制备微米金刚石薄膜、纳米金刚石薄膜和金刚石–石墨复合薄膜,采用扫描电子显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪对不同金刚石薄膜的表面形貌和微观结构进行表征,通过摩擦磨损实验测试金刚石薄膜的摩擦系数并计算其磨损率,对比研究不同种类金刚石薄膜的摩擦磨损性能。结果表明：金刚石–石墨复合薄膜具有较好的摩擦磨损性能,薄膜表面粗糙度为53.8 nm,摩擦系数为0.040,和纳米金刚石薄膜(0.037)相当;金刚石–石墨复合薄膜的磨损率最低,为2.07×10^-7 mm³·N^-1·m^-1。在相同实验条件下,同碳化硅基底的磨损率(9.89×10^-5 mm³·N^-1·m^-1)和摩擦系数(0.580)相比,所有金刚石薄膜的磨损率和摩擦系数均有明显提升,说明在SiC基体表面沉积金刚石薄膜能够显著提高碳化硅材料在摩擦学领域的使役性能。     

沉积温度对NiCrAlY/Ag复合薄膜结构及性能的影响

目的改善GH4169合金的表面性能,制备摩擦学性能优良的复合薄膜。方法采用离子源辅助直流磁控溅射技术制备NiCrAlY/Ag复合薄膜,研究沉积温度分别为60、120、180℃对薄膜结构和性能的影响。利用能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)进行薄膜元素成分含量、表面形貌、截面形貌、粗糙度和相结构的检测。采用纳米压痕仪、划痕法、球-盘式摩擦磨损试验机对薄膜的硬度、结合力、摩擦磨损性能进行分析。结果 NiCrAlY/Ag复合薄膜的表面致密度、晶粒尺寸以及表面粗糙度随沉积温度的升高而增大,物相组成主要为Ni3Al、Ag和Cr,薄膜的硬度在5.67～6.41GPa之间。复合薄膜的膜/基结合力随沉积温度的增加而降低,其中沉积温度为60℃时的膜基结合力最佳(33.1N),并且在此沉积温度下的复合薄膜具有最佳的室温摩擦学性能,其平均摩擦系数为0.24,磨损率为3.52×10–5 mm3/(N·m),磨损机制为氧化磨损和磨粒磨损。结论沉积温度对NiCrAlY/Ag复合薄膜的结构性能影响显著,当沉积温度为60℃时,薄膜综合性能最好。     

脉冲激光沉积WSx/a-C复合薄膜的结构与摩擦学性能

采用脉冲激光烧蚀石墨/WS₂组合靶,在硅基片上沉积不同碳质量分数的WSx/a-C复合膜。用能谱仪、扫描电子显微镜和X射线衍射仪对薄膜的成分、形貌和微观组织进行了表征。采用纳米压痕仪、涂层附着力划痕仪和球-盘式摩擦磨损试验机对薄膜的硬度、结合力和大气中(相对湿度50~55%)的摩擦学性能进行了测试。结果表明,薄膜的S/W比稳定在2.0左右且形成了(002)择优取向的WS₂相。随着薄膜中碳质量分数的增加,薄膜的硬度在36.1%C时出现最高值,结合力随之增大且在52.4%C时达到最高值,摩擦因数先降低后增加,在41.2%C时有最小值0.144。薄膜磨损率在(0.91~1.61)×10_-15 m₃N_-1m_-1范围内变化,36.1%C的WSx/a-C复合膜具有最佳耐磨性能。     

钛合金表面MoS2-Ti/Cu-Ni-In多层固体润滑膜的制备及其抗微动磨损性能

目的改善钛合金表面抗微动磨损性能。方法利用非平衡磁控溅射技术在钛合金表面沉积MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层固体润滑膜,并与MoS_2-Ti与Cu-Ni-In单层固体润滑膜进行对比。利用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、表面轮廓仪对固体润滑薄膜的形貌、硬度、抗微动磨损性能、磨痕形貌进行分析测试。结果所制备的Cu-Ni-In单层膜与MoS_2-Ti单层膜结构致密,与基体结合良好,MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层膜交替结构清晰,结构致密。MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层膜的硬度大于MoS_2-Ti及Cu-Ni-In单层膜,多层膜的平均微动系数为0.06,MoS_2-Ti单层膜的平均微动系数为0.102,Cu-Ni-In单层膜的平均微动系数大于1.0。在12 000个微动循环周期后,测得MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层膜的最终磨损总量为0.045 mm~3,Cu-Ni-In单层膜的最终磨损总量为37.79 mm~3,MoS_2-Ti单层膜的最终磨损总量为0.296 mm~3,即多层膜的抗微动磨损性能较Cu-Ni-In单层膜改善了2个数量级,较MoS_2-Ti单层膜改善了5倍以上。结论 MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层膜中的多个界面对单层晶粒生长起到了阻挡作用,从而致使交替结构中的单层晶粒得到细化,Cu-Ni-In膜的引入延缓了MoS_2-Ti膜的剥落及其转移,增加了不锈钢球与多层膜间第三体的润滑及减磨效果,多层膜表现出了优异的抗微动磨损性能。     

石墨烯对铜基制动材料的性能影响

目的为了提高铜基制动材料的力学性能和摩擦学性能,选用石墨烯作为增强填料添加到铜基制动材料中,研究石墨烯对铜基制动材料性能的影响。方法采用粉末冶金的方法制备了石墨烯含量(质量分数,后同)分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的铜基复合材料,并对不同试样的力学性能和摩擦磨损性能进行比较。结果含有石墨烯的试样硬度为46.4~54.2HB,高于未添加石墨烯试样的硬度(44.5HB)。含有石墨烯的试样抗弯强度为250~418 MPa,均高于未添加石墨烯试样的抗弯强度(218 MPa),其中石墨烯含量为0.4%的试样的硬度和抗弯强度最大,分别为54.2HB和418 MPa。随着石墨烯含量的增加,材料的密度逐渐下降。当石墨烯含量为0.2%~0.4%时,材料摩擦系数的稳定性提高且磨损率降低;当石墨烯含量为0.6%~0.8%时,材料摩擦系数的稳定性下降且磨损率变大。当石墨烯含量为0.4%时,材料的摩擦系数最稳定,摩擦系数的方差为0.3×10~(-3)(未添加石墨烯的试样为1.4×10~(-3)),磨损率最低,位于0.136×10~(-6)~0.185×10~(-6) mm~3/(N·m)之间(未添加石墨烯的试样位于0.42×10~(-6)~0.82×10~(-6)mm~3/(N·m)之间)。结论少量的石墨烯(0.2%~0.4%)可以显著提高铜基制动材料的硬度和弯曲强度,其中石墨烯含量为0.4%时,制成的制动材料的机械性能最佳,同时试样的摩擦系数稳定,磨损率较低。     

MoS2/Pb-Ti多层薄膜的结构和摩擦学性能

目的 设计MoS2/Pb-Ti多层薄膜,改善真空和大气环境下的摩擦学性能。方法 采用磁控溅射技术沉积MoS2/Pb-Ti多层薄膜,通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射(XRD)、纳米压痕仪、真空和大气摩擦磨损实验,分别评价MoS2/Pb-Ti多层薄膜的表面形貌、微观结构、力学性能、真空和大气环境下的摩擦学性能,并通过光学显微镜、能谱仪（EDS）、Raman光谱仪对磨痕及磨斑进行分析。结果 随着MoS2层厚度的增加,MoS2/Pb-Ti多层薄膜的表面颗粒逐渐细化,变得更加光滑。同时,微观结构由金属相主导转变为由MoS2相主导,弹性模量逐渐降低,硬度则先升高后降低。在真空环境下,MoS2/Pb-Ti多层薄膜的摩擦系数低至0.01,磨损率低至2.2×10?7 mm3/(N?m),大气环境下摩擦系数低至0.07左右,磨损率低至2.7×10?7 mm3/(N?m)。 结论 在真空摩擦磨损实验中,MoS2层厚度过薄时,MoS2/Pb-Ti多层薄膜的磨损机制为粘着磨损,MoS2层厚度增加有助于形成稳定的转移膜,使得摩擦磨损大幅降低。在大气摩擦磨损实验中,Ti保护MoS2的结构免于H2O和O2的破坏,使体系具有低而稳定的摩擦磨损。     

二硫化钼含量对自润滑涂层组织及性能的影响*

利用超音速火焰喷涂技术制备了4种不同MoS2含量的镍基自润滑涂层,并对涂层进行了组织和性能研究.结果表明：随着自润滑材料MoS2含量的增加,涂层的显微硬度、结合强度和滑动摩擦因数都明显降低;当MoS2含量由6%增加到9%时,涂层滑动摩擦因数由0.18减小到0.16,变化处于平稳,但磨损量却由0.5 mg/m突然增大到1.6mg/m;涂层中条状未熔MoS2和孔洞的存在,是其显微硬度、结合强度和摩擦因数减小的主要原因.     

H_2/CH_4流量比对含氢DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积法在Si(100)基体上制备不同H2/CH4流量比下的类金刚石薄膜,采用拉曼光谱、红外光谱、扫描电子显微镜(SEM)、纳米力学性能综合测试仪以及摩擦磨损试验机对薄膜的组织结构、力学以及摩擦学性能进行了分析。结果表明:该条件下制备的薄膜具有典型的类金刚石结构且膜中氢含量较高,薄膜表面光滑,膜层致密且均匀,薄膜的硬度及与基底的附着力均随着H2/CH4流量比的增加而降低。薄膜在大气环境下具有优异的摩擦学性能,在相同的载荷及转速条件下,H2/CH4流量比对薄膜的摩擦因数影响不大。当载荷为5N时,随着转速的增加,摩擦因数降低;而载荷为10N时,摩擦因数约为0.05,转速对其影响较小。薄膜的磨损率在10-8~10-7 mm3/Nm之间变化,且随H2/CH4流量比的增加而增大。     

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。