W、Mo离子注入对离子镀TiN薄膜表面结构和性能的影响

目的进一步改善氮化钛薄膜的摩擦学性能。方法利用金属蒸汽真空弧源(MEVVA)在离子镀TiN薄膜表面进行等剂量W、Mo离子注入。采用扫描俄歇系统、光学三维形貌仪、X射线衍射仪和纳米压痕仪,分别分析了TiN薄膜的离子注入深度、表面形貌及粗糙度、相结构和不同压入深度的薄膜硬度。在球盘滑动摩擦磨损试验机上考察了TiN薄膜的摩擦学性能,并利用扫描电子显微镜和三维形貌仪对其磨损形貌进行分析。结果等剂量离子注入后,TiN表面注入层中W离子的含量明显大于Mo离子,两种离子注入对TiN薄膜的表面形貌和硬度的影响较小。XRD结果表明,W离子和Mo离子注入后均发现了Ti_2N硬质相。两种离子注入均可以不同程度地降低TiN薄膜的摩擦系数和磨损率。结论 W、Mo离子注入均可显著改善TiN薄膜的摩擦学性能,但Mo离子更有利于其摩擦系数的降低,而W离子注入更有利于TiN薄膜磨损率的降低。     

稀土Ce共溅射沉积(AlCrNbTiVCe)N涂层的高温摩擦学性能

研究了稀土Ce与AlCrNbTiV高熵合金磁控共溅射(AlCrNbTiVCe)N涂层500℃下的摩擦学性能。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层的表面形貌、成分、物相和价态。通过纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试涂层的力学性能和摩擦学性能。结果表明采用磁控溅射技术可以制备出性能良好的(AlCrNbTiVCe)N涂层,Ce的引入改善了涂层微观组织和结构,增强了涂层的硬度,提高了涂层的抗塑性变形能力和抗弹性变形能力,进而使涂层具有良好的摩擦磨损性能。在室温下(AlCrNbTiVCe)N涂层的摩擦因数和磨损率与未含Ce的(AlCrNbTiV)N涂层相比均显著降低,其磨损机制为轻微的磨粒磨损和粘着磨损;在500℃下(AlCrNbTiVCe)N涂层具有比室温下更低的摩擦因数,其磨损机制以氧化磨损为主,这是由于涂层表面存在CeO₂,起到了改善涂层摩擦性能的作用。在磁控溅射工艺中引入Ce元素,可以获得摩擦学性能优良的(AlCrNbTiVCe)N涂层。     

掺钨类金刚石膜离子渗硫后的微观结构与摩擦学性能

探讨了掺钨类金刚石(W-DLC)膜沉积及离子渗硫两步合成DLC和WS2复合固体润滑膜的新方法。利用低温离子渗硫技术对4种钨含量的W-DLC膜进行离子渗硫处理,采用扫描电子显微镜(SEM)、俄歇扫描探针(SAM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱仪(Raman),纳米硬度计(Nano-indenter)和摩擦磨损试验机考察了渗硫处理后W-DLC膜的微观结构与摩擦学性能。结果表明:渗硫处理使W-DLC膜中生成了WS2,促进了DLC膜的石墨化,并降低了其纳米硬度;随钨含量增加,渗硫处理的W-DLC膜纳米硬度逐渐升高,摩擦系数和磨损率逐渐减小,渗硫后的27.7%W-DLC膜表现出最优异的摩擦学性能。     

金属钼层表面渗硫层的表征与减摩耐磨性能研究

对厚约3pm的金属钼薄膜进行低温离子渗硫处理，得到了单质金属钼与固体润滑剂二硫化钼（MoS2）共存的复合固体润滑渗硫层。利用SEM和EDX分析了复合渗硫层表面、截面及磨损面的形貌及成分分布，用XPS分析了复合渗硫层表面化合价态，用纳米压痕仪测定了复合渗硫层的硬度及弹性模量。摩擦磨损实验表明，该渗硫层是一种非常理想的摩擦表面，具有优异的减摩耐磨抗擦伤性能。离子渗硫技术为原位合成固体润滑剂MoS2提供了一种新方法。     

缸套内壁激光渗硫复合层的组织与抗高温磨损性能

针对大功率密度柴油机缸套高温磨损失效问题,利用低温离子渗硫技术在42MnCr52钢激光淬火表面制备了渗硫层,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、纳米硬度仪、划痕仪和台架试验装置分析了复合层的形貌组成、组织结构、力学性能与高温磨损性能。结果表明,复合层表面疏松多孔,其相组成主要为FeS,厚度约为5μm,与基底结合紧密。在发动机台架试验条件下,激光渗硫复合处理能降低缸套的磨损量,同时减轻了对磨活塞环的磨损,其主要原因是复合层表面的固体润滑硫化物有效抑制了高温粘着磨损和磨粒磨损,改善了缸套/活塞环摩擦副表面的匹配性能,使缸套的抗高温磨损性能得到提高。     

TiN及TiSiN涂层在海水环境下的摩擦学行为研究

目的对比研究海水环境下Ti N及Ti Si N涂层与Al2O3对磨的摩擦磨损行为。方法采用多弧离子镀技术在316L不锈钢及单晶硅片上制备Ti N及Ti Si N涂层。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及X射线光电子能谱仪(XPS)分析了涂层的截面形貌及化学组织成分。选择纳米压痕仪测量了Ti N及Ti Si N涂层的硬度及弹性模量,使用UMT-3往复式摩擦试验机研究了人工模拟海水环境下Al2O3与Ti N及Ti Si N涂层对磨后的摩擦磨损行为,并采用扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)及表面轮廓仪来深入分析了磨痕的摩擦磨损情况。结果研究表明,Ti N涂层的硬度为32.5 GPa,当Si元素掺入涂层以后,Ti Si N涂层的硬度提高到了37 GPa。同时,较之于Ti N涂层,Ti Si N涂层的腐蚀电流密度下降了一个数量级。在摩擦实验中,Ti N涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.35和5.21×10-6 mm3/(N·m),而Ti Si N涂层的摩擦系数和磨损率均有明显下降,分别为0.24和1.96×10-6 mm3/(N·m)。结论 Si元素掺杂后能显著提高Ti N涂层在海水环境下的摩擦学性能,主要归因于结构的致密,硬度、韧性、抗腐蚀性的提高及润滑相的形成。     

灰铸铁离子渗氮渗硫复合处理改性层的摩擦学性能

对灰铸铁进行离子渗氮渗硫复合处理，采用SEM、EDAX和XRD研究了渗层的组织结构，采用往复式滑动磨损试验机及SRV型高温摩擦磨损试验机分别在无润滑和油润滑条件下，对原始材料、离子渗氮表面、离子渗氮渗硫复合处理表面进行了摩擦学性能研究，并探讨了磨损机理。结果表明，由于离子渗氮和离子渗硫复合处理后的灰铸铁兼顾了亚表面的硬度和表层的减摩和润滑作用，改善了摩擦学性能，使其表面的耐磨性明显优于原始材料和离子渗氮者。     

多弧离子镀制备TiSiN涂层的结构及其摩擦学行为

为了研究Si含量对TiSiN涂层性能的影响,采用多弧离子镀技术在Ti6Al4V表面制备了不同Si含量(质量分数)的TiSiN涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电子能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)纳米压痕仪、摩擦磨损试验机表征其表面形貌、成分,力学性能及摩擦学性能。结果表明:随着靶材中Si含量的增加,涂层硬度从35GPa增加到42GPa。在TiSiN涂层中Si元素主要以Si3N4非晶态存在,形成了非晶Si3N4包裹TiN纳米晶结构。当靶材中Si含量为8%时,涂层在海水中的磨损率约为2.1×10-6 mm3/(N·m),此时涂层的摩擦性能最好。     

低温离子渗硫层的干摩擦学性能对比研究

采用低温离子渗硫工艺，分别在W6Mo5Cr4V2,5CrNiMo,2Cr13及45钢表面制备FeS固体润滑层。研究干摩擦条件下的摩擦员性能和渗硫层截面与磨痕形貌，结果表明，4种钢渗硫后减磨耐磨性能都明显提高，其中渗硫W6Mo5Cr4V2钢的摩擦学性能最好，渗硫5CrNiMo钢、渗硫45钢及渗硫2Cr13钢的摩擦学性能依次降低，基体硬度及组织结构不同是渗硫层摩擦学性能产生差异的主要原因。     

离子注入对TC4钛合金TiN/Ti涂层结合力和抗砂尘冲蚀性能的影响

目的通过离子注入提高TiN/Ti涂层的结合力和抗冲蚀性能。方法先采用金属蒸气真空弧(MEVVA)离子源在TC4基体上分别注入四种离子(Mo、Ti、Nb、Co),再用磁过滤真空阴极弧(FCVA)技术制备TiN/Ti涂层。采用非球面测量仪、AFM、XRD和纳米压痕仪,对四种离子注入的TC4基体表面粗糙度、表面形貌、物相结构、纳米硬度和弹性模量进行表征,采用划痕仪测量涂层的结合力,采用涂层冲蚀考核平台对不同试样进行砂尘冲蚀性能试验。结果经过Mo、Ti、Nb离子注入的TiN/Ti涂层的结合力和抗冲蚀性能都有提高,其中Mo离子注入的TiN/Ti涂层的结合力达71 N、耐冲蚀时间为80 min,与未离子注入涂层相比,分别增加31.5%和77.8%,而平均冲蚀率降低39.5%,仅为0.0078mg/g。Co离子注入的TiN/Ti涂层的结合力仅为40 N,平均冲蚀率增大了19.0%,达0.0433 mg/g,其抗砂尘冲蚀性能明显下降。结论离子注入涂层的抗砂尘冲蚀性能与结合力密切相关,随着结合力的增大,TiN/Ti涂层的平均冲蚀率减小,其耐冲蚀时间增加,选择合适的离子注入可提高TiN/Ti涂层的抗冲蚀性能。     

TiN/TiCN/Al2O3/TiN与TiN/TiCN/Al2O3/TiCNO多层涂层的组织性能比较

目的对比TiN/TiCN/Al_2O_3/TiN和TiN/TiCN/Al_2O_3/TiCNO两种多层涂层的组织性能。方法采用化学气相沉积(CVD)技术在硬质合金基体上沉积TiN/TiCN/Al_2O_3/TiN和TiN/TiCN/Al_2O_3/TiCNO两种多层涂层。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析涂层的物相和组织形貌,采用纳米力学测试系统测试涂层顶层的硬度和弹性模量,利用显微维氏硬度计和划痕仪分别测量涂层的显微硬度和结合强度,利用往复式多功能摩擦磨损试验机研究涂层的摩擦磨损性能。结果顶层TiN晶粒为柱状晶,顶层TiCNO晶粒呈细针状。与顶层TiN相比,顶层TiCNO硬度更大,抗塑性变形能力更强。与以TiN为顶层的多层涂层相比,以TiCNO为顶层的多层涂层表面粗糙度、摩擦系数较大,结合强度较低。当磨损只发生在顶层时,耐磨性取决于顶层涂层的性能,TiN/TiCN/Al_2O_3/TiN的磨损体积和磨损率为TiN/TiCN/Al_2O_3/TiCNO的1.2倍。当磨损进行到顶层与Al_2O_3层界面时,结合强度对耐磨性也有重要影响,TiN/TiCN/Al_2O_3/TiN的磨损体积和磨损率是TiN/TiCN/Al_2O_3/TiCNO的82%。结论与TiN/TiCN/Al_2O_3/TiN相比,TiN/TiCN/Al_2O_3/TiCNO的顶层TiCNO硬度较大,抗塑性变形能力强,其顶层耐磨性较好。改善TiN/TiCN/Al_2O_3/TiCNO多层涂层表面粗糙度和结合强度将进一步提高该涂层的摩擦磨损性能。     

梯度过渡层对硬质合金沉积类金刚石膜的耐磨性影响

目的分析不同类型的梯度过渡层对硬质合金沉积类金刚石涂层耐磨性能的影响,制备出能有效改善硬质合金减摩抗磨性能的类金刚石涂层。方法采用真空阴极电弧离子镀和等离子体增强化学沉积技术,在硬质合金基底上制备了Ti/TiC/DLC、Ti/TiN/DLC、Ti/TiN/TiNC/DLC和Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC四种类型的Ti多元梯度过渡类金刚石涂层。通过GNEHM-150型洛氏硬度计和电子显微镜、MFT-4000多功能材料表面性能试验仪、纳米硬度测试仪,分别评价不同类型多元梯度过渡层对硬质合金类金刚石涂层的膜基结合强度、摩擦磨损性能及纳米硬度。结果 Ti/TiC/DLC、Ti/TiN/DLC、Ti/TiN/TiNC/DLC和Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC四种类型涂层的膜基结合强度等级分别为HF3-HF4、HF5-HF6、HF1-HF2、HF1,对两种膜基结合强度较好的涂层(Ti/TiN/TiNC/DLC、Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC)进行摩擦磨损检测,其摩擦系数分别为0.2、0.1,且经过60 min对摩,Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC涂层仍未出现明显剥落。结论梯度过渡层的类型对薄膜的膜基结合强度、摩擦性能有较明显的影响,Ti/TiN/TiNC/TiC/DLC结构的涂层膜基结合强度最好,具有最低的摩擦系数,表现出了优异的减摩抗磨性能,可有效改善硬质合金表面的耐磨性能。     

Effect of tribological media on tribological properties of multilayer Cr(N)/C(DLC) coatings

In this research, Cr(N)/C(DLC) multilayered coatings were deposited on M2 steel substrates by an unbalanced magnetron sputtering technique. By varying the substrate rotation speed, four multilayered coatings with different bilayer thickness were produced. The bilayer thickness and structure of multilayered coatings were characterized by low-angle XRD, XPS depth profile, and cross-section TEM observation. The tribological investigation focused on the effect of layer thickness and tribological media on tribological property of the multilayer coatings against Al counterface. A pin-on-disc tribometer with a tribological medium container was used to investigate the wear behaviours of the four multilayered coatings under dry and wet (distilled water and S500 coolant) sliding. A stylus surface profilometer was used to measure wear rate. The investigation of wear tracks and wear mechanism was performed using Scanning Electron Microscopy (SEM). The research results showed that coatings with different bilayer period performed different tribological behaviour. The proper tribological media applied in the wear tests could improve the wear properties of multilayer coatings.     

多弧离子镀制备TiSiN-Cu涂层的结构和摩擦学性能

目的通过在TiSiN涂层中掺杂软金属Cu,提高TiSiN涂层的摩擦性能。方法采用多弧离子镀技术,在316L不锈钢基体上沉积TiSiN-Cu涂层。用扫描电子显微镜(SEM)观察涂层的表面形貌,用X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线衍射仪(XRD)来分析涂层的元素组成和相组成,通过纳米压痕硬度测试和摩擦磨损实验,表征不同Cu含量TiSiN-Cu涂层的力学性能和摩擦学性能。结果 Cu含量对TiSiN涂层的结构、硬度和摩擦性能有明显影响。Cu在涂层中主要以单质形式存在,由于与空气接触,涂层表面有少量的CuO。随着Cu含量的增加,TiN的晶粒尺寸先减小后增加,硬度先升高后降低。在Cu原子数分数为6.28%时,硬度达到最大值29.26 GPa。在干摩擦条件下,TiSiN-Cu涂层的磨损率在Cu原子数分数为12.93%时达到最低,为6.65×10-7 mm~3/(N·m)。在海水环境下,涂层的磨损率较大。结论软金属Cu作为固体润滑颗粒可以明显改善Ti Si N涂层的干摩擦性能,在海水条件下,摩擦与腐蚀的交互作用加速了涂层材料的损耗。     

金属与氮复合注入对Inconel 718摩擦磨损性能的影响

为提高Inconel 718零件的抗磨损性能,采用直线式高能离子注入机对Inconel 718材料进行表面强化。利用X射线衍射仪、电子背散射衍射、X射线光电子谱、俄歇电子能谱等表征材料的组织结构、相组成和元素浓度-深度分布,采用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机检测材料的纳米硬度和摩擦磨损性能。结果表明,不同离子注入工艺对Inconel 718抗磨损性能提升具有不同效果,(N+Ti)组合注入可提升基体抗磨损性能达2.5倍以上,纳米硬度提升幅度达到36%。(N+Ti)组合注入工艺在Inconel 718表层形成非晶以及纳米级Ti Nx析出相,随注入深度增加,注入原子主要以间隙或置换形式存在于基体晶格中。     

Friction and wear properties of TiN,TiAlN, AlTiN and CrAlN PVD nitride coatings

Four nitride coatings, TiN, TiAlN, AlTiN and CrAlN were deposited on YG6 (WC + 6 wt.% Co) cemented carbide by cathodic arc-evaporation technique. The friction and wear properties were investigated and compared using ball-on-disc method at high speed with SiC ball as a counter material. The tests were evaluated by scanning electron microscopy, X-ray diffractometer, energy dispersive X-ray, micro hardness tester and an optical profilometer. The results showed that TiN and TiAlN coatings presented lower friction coefficient and lower wear rate, and that high Al content AlTiN and CrAlN coatings didn't present better anti-wear properties in this test. Oxidation and abrasive wear were the main wear mechanism of TiN coating. In spite of the observation of micro-grooves and partial fractures, TiAlN possessed perfect tribological properties compared with the other coatings. High Al content increased the chemical reactivity and aroused severe adhesive wear of AlTiN coating. CrAlN coating presented better properties of anti-spalling and anti-adhesion, but abundant accumulated debris accelerated wear of the coating under this enclosed wear environment.     

低温磁控溅射与普通多弧离子镀TiN薄膜的摩擦学性能比较

采用低温磁控溅射和普通多弧离子镀分别在冷作模具钢基体上制备了TiN薄膜，用纳米压痕法测量了薄膜的表面硬度，并比较了低温磁控溅射与普通多弧离子镀TiN薄膜的摩擦学性能。试验表明，低温磁控溅射TiN薄膜具有与普通多弧离子镀TiN薄膜相近的表面硬度，在多种试验条件下，低温磁控溅射TiN薄膜都有较好的摩擦学性能，摩擦副的磨损率低，摩擦因数小且变化平稳，磨损表面光滑。