乙炔气改性类石墨涂层结构和性能研究

利用非平衡磁控溅射设备,在溅射制备类石墨碳膜(GLC)时,通入C_2H_2气体引入化学气相沉积(CVD)制备改性GLC。使用划痕仪,显微硬度计,摩擦磨损机,X射线衍射和X射线光电子能谱,对改性GLC进行性能和结构分析,并且和溅射GLC进行了对比。结果发现:添加C_2H_2后的碳膜,非晶结构没有发生变化,但是膜内sp~3键含量增加。改性GLC碳膜硬度有所增加,具有良好的结合强度,碳膜硬度和摩擦性能得到提高。     

双辉等离子渗铬界面层对类石墨碳基涂层力学及磨蚀性能的影响

目的 研究渗铬界面层对铬/类石墨碳(Cr/Graphite-Like Carbon,GLC)复合涂层力学性能、结合强度及磨蚀行为的影响,阐明Cr/GLC复合涂层的抗磨蚀机理。方法 以316L不锈钢(316L)为基体,先借助双辉等离子表面合金化(DGPSA)技术制备渗铬界面层,再采用直流磁控溅射(DCMS)技术制备顶层GLC涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、共聚焦显微拉曼光谱仪(Raman)和X射线衍射仪(XRD)表征涂层的微结构与成分,采用纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损仪和电化学工作站测试复合涂层的力学性能、断裂韧性、结合强度和抗磨蚀性能。结果 渗铬界面层能够促进GLC涂层的石墨化转变,实现硬度分布的梯度变化(基体为3.65 GPa,渗铬界面层为8.97 GPa,表面为13.15 GPa),有效阻碍了裂纹的扩展。与GLC涂层相比,Cr/GLC复合涂层具有较高的断裂韧性和结合强度(≥50 N),在3.5% NaCl溶液中具有更低的摩擦系数(0.055)和更低的磨损率(3.22×10^–7 mm³/Nm),其抗腐蚀性和化学稳定性也明显更优。结论 通过界面设计,实现了Cr/GLC复合涂层硬度分布的梯度过渡,提高了复合涂层的断裂韧性以及与316L的结合强度,赋予了复合涂层优异的抗磨蚀性能,为其在海洋苛刻环境下的磨蚀防护提供了有益借鉴。     

碳基非晶镀层的纳米晶诱发机理及其摩擦学性能研究

采用磁控溅射离子镀技术制备了一组不同Cr含量的碳基离子镀层,利用XRD、SEM、TEM、XPS及Raman光谱对镀层的微观结构进行了表征,并分析了微观结构对镀层的力学性能及摩擦学性能的影响。实验结果表明:随着Cr含量的增加,碳基镀层从典型的非晶结构转变为纳米晶/非晶复合结构,sp2杂化键含量逐渐增加,sp3杂化键含量逐渐减少,并且碳基镀层的硬度和内应力均随着Cr含量的增加而呈现减小的趋势。微量的金属Cr掺杂可有效地降低镀层的摩擦系数和比磨损率。过量的Cr掺杂虽有利于sp2杂化键含量的提高,但金属相的弥散分布导致了碳基镀层摩擦系数和比磨损率的增大,摩擦学性能变差。     

不同Ti靶电流对Ti掺杂类石墨碳膜的结构和性能的影响(英文)

利用磁控溅射的方法成功制备Ti掺杂类石墨碳(Ti-GLC)膜。采用拉曼光谱、X射线光电子谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米压痕仪和球盘式摩擦机分别表征不同Ti靶电流下制备的Ti-GLC膜的成分、结构和性能。随着Ti靶电流的增加,薄膜中sp2键的比率和Ti含量增加,同时薄膜的硬度和内应力也增大,但较高的Ti靶电流将会促使薄膜产生鳞片状结构从而使其变疏松。较少的Ti掺入量可以降低GLC膜的干摩擦因数,纯GLC膜在水润滑条件下的摩擦因数最低。在较低Ti靶电流下制备的Ti-GLC膜在干摩擦及水润滑条件下均具有较高的抗磨性能。     

非平衡磁控溅射沉积类石墨碳膜结构及其摩擦学性能

利用非平衡磁控溅射技术在单晶硅基底上沉积了类石墨非晶碳膜。利用X射线光电子光谱、Ram an光谱、高分辨透射电子显微镜及原子力显微镜对沉积薄膜的微观结构进行了详细表征;利用纳米压痕仪和球盘摩擦试验机分别对其力学性能和摩擦学性能进行了测试。结果表明,当前制备的非晶碳膜中sp2杂化碳占主导呈现出类石墨特征,但薄膜硬度可达14.2 GPa。大气环境中的摩擦性能测试表明,所制备的类石墨非晶薄膜具有优异的摩擦学性能:其承载能力高达2.8 GPa,同时具有较低摩擦因数(~0.05)和磨损率(~10-11cm3/Nm)。类石墨碳膜优异的摩擦学性能主要归因于其独特的结构、较低的内应力及良好的热稳定性。     

碳含量对等离子束表面冶金铁基耐磨涂层的影响

制备了不同碳含量的等离子束表面冶金铁基耐磨涂层,采用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、显微硬度计,对涂层的显微组织、物相组成、碳化物成分含量、显微硬度等进行了系统研究。结果表明:随碳含量由3.5%增加到5.0%,涂层物相组成基本一致,由(Fe,Cr)7(C,B)3、α-Fe组成;先析相(Fe,Cr)7(C,B)3由细小的针状或颗粒状逐渐变为条状到粗大的六边形等多种形态,(Fe,Cr)7(C,B)3碳化物的平均硬度由682.00 HV0.1增加到1227.79 HV0.1;涂层的平均硬度由616.57 HV0.1逐步增加到981.46 HV0.1。     

低温热处理对Graphit-iC类石墨碳膜组织结构及耐磨性的影响

应用拉曼光谱(Raman)等测试方法分析了不同热处理温度对PVD技术制备的Graphit-iC类石墨碳膜涂层的组织结构、显微硬度、结合强度和磨损率的影响规律.结果表明:随温度升高,涂层发生sp3→sp2结构转变,相对强度比ID/IG增加,石墨化倾向增大;涂层磨损率在25～250℃温度区间内保持较低的水平,当温度继续上升后表面显微硬度及结合力降低,磨损率显著增大,耐磨性降低.     

碳含量对缺碳硬质合金组织和性能的影响

通过配制不同碳含量的WC-6Co缺碳硬质合金,采用X射线衍射、光学金相、显微硬度、钴磁和TRS等分析方法,对比研究碳含量对低压烧结缺碳硬质合金的显微组织和性能的影响。结果表明:碳含量影响合金中η相的类型、含量、分布、WC的形状以及合金的性能;Co3W3C相出现在缺碳程度相对较小的合金中,其含量随碳含量的增加而增大,而Co6W6C相与之相反;合金中的η相总量随碳含量的增大而减少;随着缺碳程度的增加,合金中η相的分散均匀性变差,并且η相趋向于成大块状;WC大多呈现多角特征;合金的密度和维氏硬度随着碳含量的增加,先大幅度增加后缓慢减小,碳含量为5.2%(质量分数)时均出现最大值,合金的钴磁和横向断裂强度随着碳含量的增加而增加。     

靶材电流对TiSiCN涂层组织结构与力学性能的影响

采用多弧离子镀和磁控溅射复合技术在H13钢表面制备了不同靶材电流的TiSiCN涂层,采用划痕仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、摩擦磨损试验机(UMT-3)等研究了靶材电流对涂层的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响.结果表明:随着靶材电流的增加,涂层中Ti和Si元素的含量逐渐减小,C元素含量逐渐增加,涂层的表面越来越平整致密.XRD图谱表明涂层中存在SiC、Si3N4和C这3种非晶相.随着靶材电流的增加,涂层的硬度先降低后升高,靶材电流最高的涂层具有最优的结合力和最佳的耐磨减摩性能.     

Cr1-xAlxN涂层的微结构和抗氧化性能研究

采用磁控反应溅射法制备了一系列不同Al含量的Cr1-xAlxN涂层,通过能谱仪(EDS)测试涂层的成分,X射线衍射仪(XRD)表征涂层的微结构,扫描电镜(SEM)观察涂层的表面形貌,研究了Al含量对涂层的微结构和高温抗氧化性能的影响.结果表明,涂层取CrN的面心立方结构生长,且呈(111)择优取向.随着Al含量增加,涂层的晶格常数减小,涂层的高温抗氧化性能显著提高.Cr0.6356Al0.3644N涂层随着氧化温度的升高,表面的Al含量略为上升,在900℃涂层产生裂纹失效.     

偏压对电弧离子镀沉积类金刚石膜的影响

采用电弧离子镀方法，在Si(100)基底上沉积了类金刚石(DLC)膜．用激光Raman谱和X射线光电子能谱(XPS)对不同偏压下沉积的类金刚石膜的结构进行了分析．结果表明，Raman谱的D峰和G峰的强度之比ID／IG随着脉冲负偏压的增加先减小后增大，sp^3键含量随着负偏压的增加先增加后减小．偏压为-200V时，ID／IG值最小为0．70，sp^3键含量最大为26．7％．纳米压痕仪测量结果表明，随着咏冲负偏压增加，硬度和弹性模量先增加后下降．偏压为-200V时，DLC膜的硬度和弹性模量最大，分别为30．8和250．1GPa．     

真空退火处理对掺Cr类石墨碳膜力学和摩擦学性能的影响

采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术制备了掺Cr类石墨镀层,研究了真空退火温度对镀层的硬度、结合强度、摩擦系数和比磨损率的影响规律,通过X射线衍射(XRD)分析了镀层结构随退火温度的变化.结果表明:随退火温度的升高,镀层有新相生成,镀层的膜基结合强度降低,镀层硬度随温度的升高先增加后降低,退火温度为500℃时,镀层显微硬度最大;随退火温度的升高镀层摩擦系数呈现出先降低后升高的变化趋势,比磨损率逐渐增大.     

磁控溅射类石墨镀层的微观组织观察与分析

利用非平衡磁控溅射系统制备了含微量Cr的类石墨镀层,使用四点探针法测量所制备镀层的电阻率,测试结果表明所制备镀层工作层为类石墨层。使用SEM观察了镀层形貌,使用TEM及HRTEM观察了镀层的微观组织并利用选区电子衍射分析了镀层相结构,观察和分析结果表明:镀层表面质量良好,镀层的纯Cr金属底层为柱状晶结构,过渡层的晶体结构为非晶相中嵌有Cr纳米晶结构;工作层为非晶结构。测定了镀层的硬度、结合力,以及在不同载荷下的摩擦因数和比磨损率,测试结果表明:所制备镀层具有高硬度、高结合力、低摩擦因数和低比磨损率,且高载下比低载下有更低的摩擦因数。分析和讨论的结果还表明:工作层的非晶结构,是使所研究镀层具有高硬度、高结合力、低摩擦因数、低磨损率低的主要原因。     

Effect of bias voltage on microstructure and properties of Ti-doped graphite-like carbon films synthesized by magnetron sputtering

Ti-doped graphite-like carbon (GLC) films with different microstructures and compositions were fabricated using magnetron sputtering technique. The influence of bias voltages on microstructure, hardness, internal stress, adhesion strength and tribological properties of the as-deposited GLC films were systemically investigated. The results showed that with increasing bias voltage, the graphite-like structure component (sp² bond) in the GLC films increased, and the films gradually became much smoother and denser. The nanohardness and compressive internal stress increased significantly with the increase of bias voltage up to −300 V and were constant after −400 V. GLC films deposited with bias voltages in the range of -300--400 V exhibited optimum adhesion strength with the substrates. Both the friction coefficients and the wear rates of GLC films in ambient air and water decreased with increasing voltages in the lower bias range (0--300 V), however, they were constant for higher bias values (beyond −300 V) . In addition, the wear rate of GLC films under water-lubricated condition was significantly higher for voltages below −300 V but lower at high voltage than that under dry friction condition. The excellent tribological performance of Ti-doped GLC films prepared at higher bias voltages of −300--400 V are attributed to their high hardness, tribo-induced lubricating top-layers and planar (2D) graphite-like structure.     

碳靶电流对掺铬类石墨镀层结构和性能的影响研究

目的采用物理气相沉积磁控溅射方法,通过控制碳靶电流改变掺铬类石墨镀层的碳含量,在高速钢基体上制备不同厚度的掺铬类石墨镀层,以探究碳含量对掺铬类石墨镀层结构和性能的影响。方法采用压痕法和划痕法对镀层的膜基结合强度进行评价。采用维氏显微硬度计对镀层的硬度进行分析。采用ST-2258A四探针测试仪测量镀层的电导率。使用扫描电子显微镜对镀层的微观结构进行分析。使用摩擦磨损仪对镀层的摩擦学性能进行探究。结果随着碳靶电流的增加,掺铬类石墨镀层的截面柱状化现象越来越明显,表面团簇颗粒直径越来越大。碳靶电流为1 A时,镀层的截面形貌为细晶团簇结构;碳靶电流为3 A时,镀层截面产生柱状结构。镀层的复合硬度随着镀层碳靶电流的增加逐渐增大,在碳靶电流为3 A时,镀层的维氏硬度最大,为436HV。随着碳靶电流增加,镀层电导率逐渐上升。结论随着碳靶电流的增大,镀层致密度逐渐下降,镀层的电导率逐渐增加,镀层的摩擦系数逐渐减小,适当的碳靶电流能使类石墨镀层在功能化与力学性能上达到最佳效果。     

生物医用类金刚石薄膜的力学性能评价

用射频等离子体增强化学气相沉积在钛合金表面制备类金刚石薄膜,利用原子力显微镜、纳米力学探针、划痕仪、滑动摩擦和微动摩擦等研究了涂层的表面形貌和力学性能。结果表明：随涂层厚度的增加,表面粗糙度先增后降,最后趋于稳定,硬度和划痕临界载荷提高,室温空气条件下的滑动摩擦系数减小;对于确定的膜厚,随相对湿度增加,摩擦系数降低,这有利于其在体液环境中的应用。     

打底层对铝合金表面GLC镀层组织和摩擦学特性的影响

采用非平衡磁控溅射离子镀技术在铝合金表面分别制备了以Cr和Al为打底层,Cr-C和A1-Cr-C为过渡层的Cr/Cr C/类石墨碳(GLC)和Al/Al-Cr-C/GLC复合镀层,并与无打底层制备GLC镀层对比,系统研究了不同镀层微观结构、膜基结合力及摩擦学性能,结果表明,铝合金基体表面Cr打底层呈柱状晶生长,Cr/C过渡层无柱状晶特征,且随过渡层增厚,富Cr区域减少,实现了成分的梯度变化:A1打底层与铝合金基体间为一个整体,没有明显界面;Al Cr-C过渡层的成分也呈梯度变化;采用不同打底层和过渡层时.GLC层均为非晶态结构.较无打底层制备GLC镀层,Cr/Cr-C/GLC和Al/Al-Cr-C/GLC复合镀层与铝合金基底间的膜基结合力显著增强,以Al为打底层的复合镀层的失效临界载荷最大.磨损实验中,在不同载荷条件下2种复合镀层均具有低的摩擦系数.     

辅助气体CH4和Ar对IBED制备碳膜性能的影响

采用离子束辅助沉积技术(IBED)制备了一系列碳膜,重点分析辅助气体CH4、Ar对碳膜组成相、电阻率、厚度和硬度的影响.结果表明:采用CH4辅助轰击制得的薄膜厚度高于采用Ar辅助轰击的薄膜厚度;采用Ar辅助轰击的薄膜在硬度、结合强度方面要优于CH4辅助轰击的薄膜;相对于类金钢石薄膜,所制备的碳膜更接近于类石墨膜.     

镍基喷焊层的抗气蚀性能研究

用火焰喷涂法在低碳不锈钢表面制备镍基合金涂层.借助光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、磁致伸缩气蚀仪等设备研究涂层的组织、结构和性 能,并利用扫描电子显微镜对气蚀形貌进行了跟踪观察.结果表明：Ni60喷焊层组织较细,显微硬度远远高于Ni25喷焊层,Ni60喷焊层抗气蚀性能和Ni25喷焊层相比有明显提高.