钽掺杂对多层Ta-DLC薄膜摩擦及腐蚀行为的影响

目的 解决316L不锈钢在苛刻海洋环境中易磨损、易腐蚀的问题。方法 采用中频磁控溅射技术在316L不锈钢上沉积了Ta/TaN/TaCN/Ta-DLC薄膜。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射、纳米压痕、往复摩擦磨损试验和电化学测试等手段,重点研究了DLC膜层中Ta元素掺杂含量对薄膜结构、组成成分、力学性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响规律。结果 随着Ta元素含量(原子数分数)从2.04%增到4.16%,薄膜中的sp³键含量呈现先升高后降低的趋势,当Ta原子数分数为3.60%时,薄膜中sp³键含量最高,且薄膜的硬度及弹性模量达到最大,分别为7.01 GPa和157.87 GPa。随着Ta元素含量的增加,薄膜的平均摩擦因数逐渐减小,在4.16%(原子数分数)时达到最小0.21。Ta元素含量对薄膜的结合力影响较小,且所有薄膜结合力总体在10 N左右。当Ta原子数分数为3.60%时,薄膜的腐蚀电流密度及钝化电流密度最小,分别为0.006 μA/cm²和0.63 μA/cm²,比其他薄膜的低1~2个数量级,并且薄膜电阻及电荷转移电阻最大,展现出最为优异的耐腐蚀性能。结论 Ta元素的掺杂提高了薄膜的耐摩擦性能,且适当的Ta元素掺杂能够提高Ta/TaN/TaCN/Ta-DLC薄膜的耐磨耐蚀性能。     

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。     

硼掺杂DLC薄膜在海水环境中的腐蚀磨损性能

目的 研究硼（B）掺杂对类金刚石（DLC）薄膜在人工海水介质中耐腐蚀性能和摩擦磨损性能的影响。方法 利用非平衡磁控溅射的方法,通过控制碳化硼靶材和石墨靶材电流,在304不锈钢基底表面沉积了一种无掺杂DLC薄膜和两种不同B含量的DLC薄膜（B的原子数分数分别为7.23%、13.27%）。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、纳米压痕仪、划痕仪、摩擦实验机对薄膜的化学成分、显微结构、纳米硬度、结合力及摩擦性能进行研究。通过测试薄膜在人工海水介质中的静态极化曲线和交流阻抗谱以及监测薄膜在摩擦前后和摩擦过程中的开路电位变化,来研究薄膜在人工海水中的摩擦学和耐腐蚀性能。结果 与未掺杂的DLC薄膜相比,掺杂B原子数分数为7.23%的DLC薄膜的硬度和弹性模量变化不明显,但ID/IG增大,与基底的结合力增大到36 N（无掺杂DLC薄膜为20 N）,自腐蚀电位升高,自腐蚀电流密度减小,极化电阻增大,并且在人工海水介质中的摩擦系数降低了10.7%,磨损量降低了37.0%,开路电位大幅升高。掺杂B原子数分数为13.27%的DLC薄膜的摩擦学及耐蚀性能则大幅度下降。结论 在DLC薄膜中掺杂适量的B有助于提高DLC薄膜在人工海水介质中的耐腐蚀性能和磨蚀性能。     

45钢表面TD-Cr/PVD-CrN复合涂层磨蚀性能

目的 采用热扩散(TD)渗金属技术和物理气相沉积(PVD)技术对45钢表面进行强化,以提升45钢表面硬度和抗磨蚀性能,延长45钢的使用寿命。方法 采用热扩散渗金属技术和物理气相沉积技术制备TD-Cr、PVD-CrN及TD-Cr/PVD-CrN(Cr/CrN复合涂层)3种涂层。利用扫描电镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)研究涂层的微观形貌、元素分布和物相组成。通过纳米压痕研究涂层的硬度、弹性模量。通过摩擦磨损实验和电化学腐蚀实验,研究涂层的摩擦性能和腐蚀性能。结果 TD-Cr、PVD-CrN、TD-Cr/PVD-CrN 3种涂层的组织结构均致密均匀,厚度分别为19.78、1.075、32.24 μm。TD-Cr/PVD-CrN涂层的硬度达到28.7 GPa,高于其他涂层, 同时,Cr/CrN复合涂层的弹性模量和弹性恢复能力均优于其他涂层。在盐水环境下,TD-Cr、PVD-CrN、TD-Cr/PVD-CrN的摩擦因数分别为0.52、0.38、0.35,磨损体积分别为26、0.15、0.05,TD-Cr/PVD-CrN展现出较好的耐磨性能。在盐水环境下,TD-Cr/PVD-CrN涂层的抗腐蚀性能略低于TD-CrN涂层。结论 综合看来,TD-Cr/PVD-CrN复合涂层可以有效提升45钢的表面抗磨蚀能力,延长其使用寿命。     

电沉积法制备Co–LDHM超疏水膜及性能研究

目的 采用电沉积法在不锈钢网上构筑稳定的钴层状双氢氧化物微球(Co–LDHM)超疏水薄膜。方法 首先,通过第1次电沉积在不锈钢网上制备出ZIFs纳米片阵列结构(ZIF–NFA),并以此为牺牲模板,然后在第2次电沉积作用下制备出微纳米尺寸的Co–LDHM,最后通过浸泡硅烷降低其表面能。通过溅射试验、耐磨性实验、油水分离实验及电化学试验,分别评价经超疏水改性后不锈钢网的抗污、耐摩擦、油水分离及耐蚀性能,并通过接触角,用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)对不锈钢网表面的疏水程度及膜表面的形貌与结构进行分析。结果 经两步电沉积处理后的不锈钢网表面类似浴球状,具有微米/纳米多级表面形貌结构;接触角测试表明,所制备的薄膜呈现出良好的超疏水性能,静态接触角达到159.4°±2°;经过30个耐摩擦实验周期,其表面接触角为141.3°±2°,仍具有较高的疏水性;油水分离效率均大于97%,重复20次以上分离效率仍保持在96%,且具有一定耐蚀性能和良好的抗污性。结论 通过两步电沉积法构筑的Co-LDHM超疏水不锈钢网具有优异的超疏水性能,为MOFs在制备超疏水材料方面的应用提供了一个新的思路。     

不同掺杂对类金刚石薄膜的影响

目的研究单掺Si和共掺Ag、Si对类金刚石薄膜的结构、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响。方法以高纯石墨靶、石墨与金属复合靶、Si靶作为靶材,采用射频增强磁控溅射技术制备不同掺杂种类的薄膜。通过XPS、拉曼光谱仪对薄膜的化学组成和结构进行分析,通过纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等,对薄膜的力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行了系统研究。结果 Si元素单掺DLC会引起薄膜中sp~3C含量增加。Ag、Si共掺DLC后,由于Ag以金属相分布在薄膜中,并促进sp~2相的形成,导致sp~3C含量降低。掺杂元素后的DLC薄膜,硬度下降,但韧性提高,其中Ag、Si共掺的DLC薄膜的弹性恢复系数达到79%。此外,Ag、Si共掺DLC薄膜在多种气氛(Ar、O_2、N_2)中都具有优异的摩擦学性能,磨损寿命均超过30 min,其中在N_2气中的摩擦系数最低(0.1),并在NaCl溶液中的腐蚀电流密度比304不锈钢基体降低了近2个数量级,具有良好的耐腐蚀性。结论 Si与Ag共掺DLC薄膜较Si单掺薄膜具有更好的摩擦环境适应性和耐腐蚀性能。     

5083铝合金搅拌摩擦焊接头微弧氧化膜电化学腐蚀行为

利用微弧氧化技术在5083铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头表面制备一层均匀的微弧氧化膜.通过动电位极化和电化学阻抗谱(EIS)分析,评估微弧氧化前后搅拌摩擦焊接头的腐蚀特性.结果表明,经过微弧氧化表面处理的搅拌摩擦焊样品腐蚀电流密度减小,电化学阻抗增加,抗腐蚀性能得到了显著改善.未氧化处理的不同焊接组织区域腐蚀行为存在明显的差异,而5083铝合金母相和焊缝表面的微弧氧化膜具有相同的形貌和抗腐蚀性能.     

Electrodeposition of B,Ni co-doped diamond-like carbon films on AZ91D magnesium alloy: Corrosion and wear resistance

Diamond-like carbon (DLC) possesses brilliant and excellent properties, including excellent corrosion resistance as well as outstanding wear resistance. Ni and B co-doped DLC films were deposited on AZ91D magnesium alloy by electrodeposition under mild conditions (300 V and 25°C). Uniform and dense morphology of co-doped DLC films were observed, and Ni and B were uniformly incorporated into the carbon-based films. Among all the electrodeposits, the appearance of D and G peaks near 1330 and 1570 cm⁻¹ revealed that the as-deposited films were typical DLC films. As the addition of Ni was increased to 0.05 g, the highest microindentation hardness, the lowest friction coefficient, and wear loss were achieved to be 164.5 HV, 0.3, and 0.6 × 10⁻⁵ kg/m, respectively. The amorphous carbon films fabricated at 0.05 g Ni had the lowest corrosion current density and the most positive corrosion potential, which was mainly due to the small and dense granular structure effectively hindering the penetration of corrosion media.     

镁合金表面纳米TiSiN复合薄膜的制备及其结构和耐蚀耐磨性能分析

为提高镁合金耐蚀和耐磨性,扩大其在航空领域的应用,采用反应磁控溅射法,分别在AZ31和Mg8Li两种镁合金基体上制备了复合TiSiN薄膜. 采用X射线荧光光谱、扫描电镜、原子力显微镜和X射线小角掠入射分别对薄膜表面元素分布、形貌、膜层结构和晶粒尺寸进行了分析. 采用电化学工作站和球盘式摩擦磨损试验机分别对薄膜在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为和在空气中的摩擦磨损性能进行了研究. 结果表明,薄膜中Ti和Si元素比例与靶材相近,元素在整个膜层表面呈高低交替的环形分布,Mg8Li基体上薄膜的分布较为均匀;薄膜主要由TiN和Ti₂N两相组成,AZ31表面薄膜的晶粒尺寸和粗糙度均小于Mg8Li表面的薄膜;两种基体镀膜后的腐蚀电流密度降低了三个数量级,摩擦系数低于0.4,磨损率在10?6 m3/Nm数量级.     

直流和高功率磁控溅射制备氮化铬薄膜及其结构性能比较

目的 比较直流磁控溅射（DCMS）和高功率磁控溅射（HiPIMS）两种沉积技术制备的氮化铬（CrN）薄膜的结构和性能。方法 采用DCMS和HiPIMS沉积技术,在金属镍（Ni）基底上沉积CrN薄膜,采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和显微硬度计等仪器,分析CrN薄膜的晶相结构、表面以及截面形貌、基底与薄膜复合硬度、摩擦性能等。结果 XRD晶体测量显示DCMS制备的CrN薄膜在(111)晶面择优生长,内应力大;而HiPIMS制备的CrN薄膜为(200)晶面择优生长,内应力小。SEM显示两种方法制备的CrN薄膜都呈柱状晶体结构生长,但HiPIMS沉积的CrN薄膜颗粒尺寸较小,柱状晶体结构和晶粒更致密。硬度测量得到HiPIMS制备的CrN薄膜显微硬度为855.9HV,而DCMS制备的CrN薄膜显微硬度为501.5HV。此外,DCMS制备的CrN薄膜平均摩擦系数为0.640,而HiPIMS制备的CrN薄膜摩擦系数为0.545,耐磨性也好。HiPIMS制备的CrN薄膜的腐蚀电流比DCMS制备的CrN薄膜低1个数量级。结论 HiPIMS沉积技术制备的CrN薄膜颗粒尺寸小,结构更致密,且缺陷少、硬度高、防腐蚀性好,薄膜各项指标都优于DCMS沉积的CrN薄膜。     

超声场下磷化时间对NiTi合金表面磷化膜形貌及性能的影响

目的通过表面改性处理来减小镍离子溢出对人体产生的危害,同时提高其力学及生物性能。方法采用超声磷化技术在镍钛合金表面制备磷化膜,研究磷化时间对NiTi合金表面磷化膜形貌及性能的影响,借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、摩擦磨损仪及电化学工作站等仪器对表层的形貌、结构、成分、耐腐蚀性、耐磨性、生物活性进行表征。结果超声磷化最优磷化时间为1 h,生成的磷化膜均匀、致密、完整,呈细小短棒状,其厚度约为17.5μm,自腐蚀电位由基材的-0.72 V提高到-0.3229 V,自腐蚀电流密度下降了2个数量级,摩擦系数稳定在0.12左右,相比于基材的0.50,降低了很多。磷化膜浸泡在SBF中30天后,成功吸附了细小、均匀、致密的类羟基磷灰石。结论超声磷化处理能明显改善镍钛合金的耐蚀性能、耐磨性能以及生物性能。     

超细晶纯钛阳极氧化表面性能研究

研究了常规纯钛和超细晶纯钛阳极氧化表面的形貌、膜-基结合力、抗腐蚀性能和微动摩擦磨损性能。结果表明:与常规纯钛氧化表面相比,超细晶纯钛氧化表面具有更多纳米尺度孔穴,更高的膜-基结合力(后者是前者的2倍),更高的抗模拟体液电化学腐蚀性能(后者的腐蚀速率是前者的2/5),更低的摩擦系数(0.12:0.34)、更高的耐磨性。分析认为,以上性能变化是纯钛组织超细化提高其晶体缺陷(内能)所致。     

Corrosion and wear properties of multipurpose coatings deposited by ion-beam-assisted deposition

Electrochemical measurements and wear tests were performed on aluminium and aluminium alloy coatings containing magnesium for uniform and local pitting corrosion protection of low carbon steel substrates. Final hard chromium nitride and aluminium nitride layers were deposited at the surface of the protective films in order to lower friction and wear. The results show that wear and corrosion protection can be improved by use of bifunctional multilayers. The coatings for multipurpose application were generated by ion-beam-assisted deposition. The defined intrinsic film stress controlled by the ion-to-atom arrival ratio influences the corrosion properties. Increasing the ion-to-atom ratios usually improves the corrosion resistance.     

搅拌摩擦加工Mg-Zn合金空蚀—腐蚀交互作用研究

采用搅拌摩擦加工(FSP)技术对铸态Mg-Zn合金进行表面处理,以提高其耐空蚀—腐蚀性能。使用SEM、EDS、XRD、显微硬度计观察和测定表面改性层的显微组织、元素分布、相组成和显微硬度,使用超声振动空蚀设备和电化学工作站研究其耐空蚀—腐蚀性能。结果表明:FSP技术能够细化和均匀铸态组织,消除成分偏析,提高材料表面硬度。FSP合金在人工海水中更易形成腐蚀产物膜,其保护性能更优,是FSP样品耐腐蚀性能提升的主要原因。铸态样品经FSP改性后硬度依然较低,故蒸馏水条件下的耐空蚀性能未获提升,但改性后合金良好的耐腐蚀性能提升了其在人工海水条件下的耐空蚀性能。     

AZ91D镁合金微弧氧化膜的腐蚀行为研究

利用双向全波脉冲电源对AZ91D镁合金在硅酸盐体系中进行了微弧氧化处理,通过电化学阻抗谱(EIS)测试、极化曲线分析并结合XRD和SEM等分析方法对微弧氧化处理的镁合金腐蚀行为进行了研究.结果表明,微弧氧化膜表面分布着几微米的微孔,微弧氧化膜中主要含有MgF2,Mg2SiO4和Al2O3.AZ91D镁合金经过微弧氧化处理之后,耐蚀性能明显提高,自腐蚀电流密度降低3个数量级,自腐蚀电位高出约300 mV,阻抗值高出3个数量级,研制的微弧氧化膜对镁合金具有很好的防腐保护性能.     

45钢表面激光熔覆Ni60-TiC 陶瓷涂层的耐磨耐蚀性能

柱塞抽油泵柱塞(45钢)长期工作在高摩擦、高腐蚀环境下,需要改善其工作表面的耐磨性及耐蚀性以提高其工作效率、延长使用寿命。采用激光熔覆技术在45钢表面熔覆Ni60-TiC混合粉末制备金属陶瓷涂层,对熔覆不同TiC含量(0%、10%、20%、30%,质量分数,下同)的涂层进行显微硬度测试、摩擦磨损试验及耐腐蚀试验,同时对涂层微观形貌进行表征。结果表明:涂层中加入TiC能有效改善涂层的耐磨耐蚀性能,提高涂层的硬度,降低摩擦系数。综合考虑柱塞抽油泵柱塞实际工作环境,涂层中TiC含量为20%-30%时涂层的耐磨性耐腐蚀性最好。     

AZ31B镁合金盐浴碳氮钒共渗工艺

为提高AZ31B镁合金的表面硬度,改善其摩擦磨损性能及耐蚀性能,采用盐浴碳氮钒共渗工艺在AZ31B镁合金表面形成高硬度碳、氮化合物渗层,并用数字显微硬度计、光学显微镜、X射线衍射仪、X射线能谱仪、摩擦磨损试验和电化学测试分析渗层表面硬度、截面显微形貌、渗层表面物相组成、耐磨性和耐蚀性等。结果表明,盐浴碳氮钒共渗处理使AZ31B镁合金表面形成主要由VC、VN等高硬度金属化合物组成的渗层,渗层表面硬度最高达到283.1 HV0.05,相比原始试样和碳氮共渗处理试样分别提升280%和62%;相比原始试样,碳氮钒共渗试样的摩擦因数和磨损量分别降低约30%和50%,自腐蚀电位提高60 mV,自腐蚀电流密度降低一个数量级,表明盐浴碳氮钒共渗工艺能够显著提高AZ31B镁合金的表面硬度,提升其摩擦磨损性能及耐蚀性能。     

GNiCr40Al3Ti合金表面Cr-DLC、CrAlN和CrN薄膜在去离子水环境中的摩擦磨损性能

目的 在去离子水环境中,研究GNiCr40Al3Ti合金表面制备的铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)、氮化铬铝(CrAlN)和氮化铬(CrN)等薄膜的摩擦磨损性能。方法 在GNiCr40Al3Ti合金表面采用离子源辅助非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜,采用多弧离子镀技术制备CrAlN薄膜和CrN薄膜。利用冷场发射扫描电镜、拉曼光谱仪和X射线衍射仪,对薄膜的微观结构和形貌进行分析。利用显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪等,对薄膜的硬度、摩擦磨损性能、磨痕二维轮廓等进行研究。结果 在10 h连续的去离子水环境摩擦过程中,CrN薄膜的平均摩擦系数最低,仅为0.17,比GNiCr40Al3Ti合金的摩擦系数降低了54%。与GNiCr40Al3Ti合金相比,其表面制备的Cr-DLC、CrAlN和CrN薄膜在去离子水环境摩擦条件下都减小了磨损体积,其中,CrN薄膜表现出最好的耐磨性,磨损体积为0.017 mm³,仅为GNiCr40Al3Ti合金磨损体积的0.18%。Cr-DLC薄膜与CrAlN薄膜的耐磨性不及CrN薄膜,主要是由薄膜的微观结构造成的,Cr-DLC薄膜的柱状疏松结构造成薄膜过早的被磨穿,CrAlN薄膜中存在的Cr相引起薄膜硬度降低,从而降低了抗剪切的能力。结论 在去离子水环境中,CrN薄膜具有最低的摩擦系数和最佳的耐磨性。     

DLC表面处理对高速钢耐磨性能的影响

经DLC表面处理的金属零件,其耐磨性会明显提高,因此DLC表面处理工艺在机械工业受到高度重视.以模具钢为对偶件,利用MM200磨损试验机比较了未经及经过DLC表面处理的高速钢在不同条件下摩擦磨损性能的差异,采用失重法评估耐磨性.试验结果表明:在高速和低速摩擦磨损试验条件下,无论在油润滑状态还是在干摩擦状态,经DLC表面处理后高速钢的耐磨性能都有明显的提高.同时还利用扫描电子显微镜(SEM)观察了磨痕微观形貌,并分析了磨损机理.     

Evaluation of corrosion and wear resistance of friction stir welded ZK60 alloy

Owing to the low corrosion and wear resistance of magnesium alloy, surface properties are the key factors affecting its application. But few studies have concentrated on the surface properties of friction stir welded Mg–Zn–Zr alloy. The aim of the present paper is to investigate the effects of friction stir welding (FSW) and subsequent ageing on the surface corrosion and wear resistance of ZK60 alloy. It is found that due to the significant grain refinement and redistribution of precipitates, the surface corrosion and wear resistance of ZK60 plates are enhanced by FSW. Morphology of inter-granular corrosion in base metal is changed into pitting corrosion after welding. Subsequent ageing can significantly reduce the corrosion resistance of the welded plates.