阴极电弧技术制备TiAlN与TiAlSiN涂层的性能研究

阴极电弧技术(cathode arc technology)具有真空蒸镀及溅射镀膜的优点,目前而言该技术还在被不断地研究与发展。文章介绍了阴极电弧技术及其特点,分析了该技术制备的Ti Al N与Ti Al Si N涂层的微观结构以及元素的存在形式,并举例说明该技术制备的Ti Al N与Ti Al Si N涂层的物理性能及其应用。     

TiAlSiN多层梯度涂层力学及摩擦磨损性能试验研究

利用物理气相沉积(PVD)技术,基于阴极电弧技术在Si片、高速钢试片上制备了TiAlSiN多层梯度涂层。利用洛氏硬度计、X射线衍射仪、透射电子显微镜、纳米压痕仪对涂层的表面形貌、物相结构和力学性能进行表征。通过超精密三维表面轮廓光学测量仪、HSR-2M摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦磨损性能。试验结果表明TiAlSiN多层梯度涂层结构致密,各层间界面清晰,主要由柱状的面心立方结构的(Ti,Al)N相组成。涂层与基体的结合力达到工业等级HF1,具有良好的膜基结合力,其硬度为27.7 GPa,弹性模量为338.0 GPa,具有较高的硬度和弹性模量。TiAlSiN多层梯度涂层的摩擦系数为0.54,磨损率为7.06×10~3μm~3/(N·m),主要磨损机制为磨粒磨损和轻微粘着磨损。     

三种不同Cr/Al/Ti元素比例的电弧离子镀（Cr/Al/Ti）N膜耐高温氧化性能的比较

用常用的Ti0.33Al0.67靶和Ti0.l50Al0.50靶以及Cr靶,在M2高速钢基体上镀制了三种不同Cr/Al/Ti比例的（Cr,Al,Ti）N涂层。比较了其硬度、结合力;测试了其抗800℃12小时以及900℃1小时氧化性能。结果表明,Cr/Al/Ti为0.55/0.27/0.16的涂层具有更高的硬度,更好的耐高温氧化性能。而结合力基本上没有差别。     

7×××系高强铝合金耐磨涂层的制备与性能

为了解决7×××系高强铝合金耐磨性差的问题,采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术在7055铝合金基体表面分别制备了Cr2O3、Ni60和WC三种涂层,对涂层截面进行扫描电镜(SEM)观察及X射线衍射(XRD)物相分析,并测定了其显微硬度,借助摩擦磨损试验机和三维轮廓扫描仪对3种涂层的耐磨性进行比较,探究了它们的磨损机制。结果表明：在相同的热喷涂工艺条件下,3种涂层的耐磨性顺序为：WC> Ni60> Cr2O3。WC涂层的显微硬度达到1 213 HV,磨损率仅为3.33×10-4 mm3/(N·mm),耐磨性比7055铝合金基体提高了约12倍。该涂层中高硬度的WC硬质颗粒可以起到阻止磨粒磨损的作用,降低了磨粒的显微切削作用。采用超音速火焰喷涂技术可在7055系高强铝合金表面获得高硬度的耐磨涂层。     

粘结性涂层的摩擦磨损特性

采用球-盘式摩擦磨损试验机,研究了粘结性钢-聚四氟乙烯涂层在不同速度和载荷条件下的摩擦磨损特性。采用扫描电子显微镜观测了磨损后涂层的表面形貌,探讨了涂层的摩擦磨损机理。研究发现:随载荷的增加,涂层的摩擦系数和磨损率降低;随速度的增加,涂层摩擦系数趋于恒值,而磨损率增加。扫描电子显微镜分析表明:这是由于高速条件下,涂层与滚球表面转移膜的形成引起的。     

氧化铝陶瓷表面化学气相沉积钛涂层的制备及性能

利用卤化物还原原理,以Ti粉和I2粉为反应原料,通过化学气相沉积的方法在Al2O3陶瓷基体上制备了金属Ti涂层。考察了原料配比、加热温度及保温时间等工艺参数对涂层沉积的影响。通过X射线衍射仪分析了涂层的物相组成。利用扫描电子显微镜及能谱仪对涂层的微观组织形貌及成分进行了分析。采用座滴法考察铜与沉积了涂层的氧化铝陶瓷间的润湿性。研究结果表明,化学气相沉积法在氧化铝陶瓷表面制备Ti涂层的适宜工艺参数为:Ti与I2的质量比=1∶3,沉积温度为1 100℃,沉积时间为60min。所获得的Ti涂层纯度较高,具有明显的(110)晶面择优取向性,涂层与陶瓷结合良好。铜与涂层间的润湿角在1 113℃时为57°。     

基体预处理对CrN涂层刀具表面粗糙度和膜基结合力的影响

通过M2高速钢基体抛光预处理工艺,获得表面粗糙度和膜基结合强度良好的Cr N硬质涂层。采用正交法设计了不同压力、砂料、干湿方式等喷砂工艺参数进行高速钢基体预处理工艺研究。对预处理后的基体采用多弧离子镀技术沉积Cr N硬质涂层。通过扫描电镜、XRD、粗糙度仪和划痕测试仪等仪器检测分析了Cr N涂层的形貌、涂层物相结构、涂层粗糙度和涂层结合力等组织性能。喷砂压力较大和砂料硬度较高时,其涂层粗糙度较大,膜基结合强度较小。对采用玻璃珠砂料在2bar压力下进行干喷砂预处理后的基体进行涂层处理,其涂层综合性能最好,其膜基结合力为78N,涂层表面粗糙度为0.369μm,涂层厚度约为5μm,涂层厚度均匀,涂层表面比较平整致密,基本未见明显的孔洞结构。     

Ti/BDD涂层电极的制备及其电化学性能研究

本文在热丝化学气相沉积(HFCVD)系统上,采用不同的工艺参数进行了钛衬底掺硼金刚石(Ti/BDD)涂层电极的制备试验,研究了衬底温度和碳源浓度对Ti/BDD涂层电极质量的影响,优化了制备Ti/BDD涂层电极的工艺条件.结果表明,沉积Ti/BDD涂层电极最合适的衬底温度为770 ℃,最适宜的C/H为2.0%.采用循环伏安法研究了用优化的工艺参数制备的Ti/BDD涂层电极的电化学性能,结果表明Ti/BDD涂层电势窗口宽、析氧电位高、背景电流小,是一种有广阔应用前景的电极材料.     

膜厚对(Ti,Al)N涂层微结构、机械性能及切削特性的影响

利用蒸发与磁控溅射二元组合源设备,通过控制沉积时间在钨钴类硬质合金螺纹刀表面制备了不同膜厚的(Ti,Al)N涂层。采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、维氏显微硬度计、洛氏硬度计和摩擦试验机考察了涂层厚度对涂层微观结构、表面形貌、元素组成、显微硬度、膜-基结合力及摩擦磨损性能的影响,并通过切削40Cr钢材研究了涂层刀具的切削特性。结果表明,沉积6 h所得涂层(膜厚约5.0μm)的复合硬度(涂层+基材的显微硬度)显著高于沉积2 h(膜厚约1.8μm)所得涂层,但膜-基结合力更弱,磨耗速率更快。     

高速电弧喷涂LX88A涂层的抗磨粒磨损性能

采用高速电弧喷涂工艺在Q235钢上制备了LX88A涂层。用X射线衍射研究了涂层的相组成,用扫描电子显微镜对涂层的显微结构和磨损后的形貌进行了分析,测试了涂层截面的结合强度和显微硬度,在MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机上研究了涂层的抗磨粒磨损性能。结果表明,LX88A涂层的显微硬度平均值为1123.3HV(测试力0.98N),其组织是在铁基体上弥散分布着一定量的Al2O3、Fe2B、TiB2等硬质颗粒;相对于16Mn钢,LX88A涂层的抗磨粒磨损性提高了13倍。     

钛铝碳的高速摩擦特性及摩擦氧化行为

研究了高纯度致密的多晶Ti3AlC2块体材料对低碳钢的干滑动摩擦、磨损特性及摩擦表面的氧化行为.实验在盘-块式高速摩擦试验机上进行,滑动速度为20～60 m/s,法向压强为0.2～0.8 MPa.结果表明:随着滑动速度的提高,摩擦系数减小,Ti3AlC2的磨损率增大.法向压强的增大导致Ti3AlC2磨损率增大,但对摩擦系数的影响较小.在60 m/s和0.8 MPa下,摩擦系数仅为0.1左右,而Ti3AlC2的磨损率仅为2.5(10-6 mm3/(N·m) 左右.如此低的摩擦系数和磨损率归因于Ti3AlC2表面摩擦氧化薄膜的存在.该薄膜由非晶态的Ti,Al和Fe的混合氧化物组成,具有良好的润滑-减磨作用.     

聚芳醚腈酮/SiC/Si3N4耐高温耐磨纳米复合涂层研究

以新型耐高温聚芳醚腈酮(PPENK)树脂作为涂料成膜物质,纳米SiC和Si3N4共同作为耐磨填料,制备了一系列新型耐高温耐磨PPENK/SiC/Si3N4纳米复合涂料。对复合涂层的摩擦学性能及热性能进行研究,通过扫描电镜(SEM)观察涂层磨损表面形貌,分析涂层磨损机理。结果表明:纳米SiC和Si3N4填料能有效改善纯PPENK树脂涂层的摩擦磨损性能。当PPENK树脂含量为22%,m(SiC)∶m(Si3N4)为3∶2时,涂层摩擦系数最小;当PPENK树脂含量为20%,纳米填料m(SiC)∶m(Si3N4)为1∶1时,涂层磨损质量损失最小。热重分析(TGA)表明无机纳米填料的加入对涂层的热性能有略微增强的作用。PPENK/SiC/Si3N4纳米复合涂层的磨损机理以粘着磨损为主,兼有犁耕磨损。     

Al_2O_3防滑粒料对防滑涂层防滑及磨损性能的影响

介绍了美军标MIL-PRF-24667C中对舰船甲板防滑涂料的摩擦系数、缆绳磨损和耐磨损性的测试程序,参照测试程序对含有不同数量和粒径的Al2O3防滑粒料的辊涂防滑涂层进行了测试,研究了防滑涂层摩擦系数的均匀性,干态、水态和油态摩擦系数,磨损前后的摩擦系数变化以及涂层的耐磨和缆绳磨损性能;用18目、24目和36目的 Al2O3防滑粒料按照1∶6∶3的质量比配制了混合防滑粒料,由该混合粒料形成的涂层被证明具有优异的摩擦系数、缆绳磨损和耐磨性能。     

火焰喷涂尼龙1010/石墨复合涂层的干摩擦磨损性能

采用均匀试验设计方法，利用摩擦磨损试验机及扫描电子显微镜(SEM)对火焰喷涂尼龙1010／石墨复合涂层的干摩擦磨损性能进行了测试，并利用SPSS统计软件对实验结果进行了回归分析，得到了复合涂层的干摩擦系数及磨损量与PV值之间的数学模型。结果表明：在实验速度(0．26～0．92-n／s)及实验载荷(100～350N)范围内，复合涂层的干摩擦系数为0．395～0．419；在实验时间(20min)内，涂层的磨损量为3．0～14．5mg，均优于纯尼龙涂层。涂层的摩擦磨损机制主要为疲劳磨损和黏附磨损。     

钛铝碳陶瓷载流滑动下的摩擦磨损行为

研究了高纯度Ti3AlC2块体材料载流滑动下的摩擦磨损行为.试验在盘一块式载流摩擦磨损试验机上进行,以低碳钢盘为摩擦配对物,滑动速度为20～60 m/s,法向压强为0.4～0.8 MPa,通电电流为0,50,100 A.结果表明:Ti3AlC2具有良好的载流摩擦磨损特性,但摩擦系数和磨损率都比无电流时的大,且电流密度越大,摩擦系数和磨损率越大.在滑动速度为20 m/s,通电电流为100 A,法向压强为0.4 MPa的条件下,摩擦系数达到最大值0.35.在速度为60m/s,法向压强为0.7MPa,电流为100A的条件下,磨损率达到最大值8.3×10-6mm3/(N·m).与相同速度和压强但不通电情况下的摩擦系数0.17和磨损率2×10-6mm3/(N·m)相比,分别增大了大约1.1倍和3.2倍.观察和分析的结果表明:载流条件下摩擦系数的增大与Ti3AlC2摩擦面上TiC和Fe2.25Ti0.75O4及AlFeO3结晶相的生成有关,而Ti3AlC2磨损率的增大主要归因于放电电弧的烧蚀作用.     

四种涂层在模拟油田环境下的腐蚀性能评价

采用不同表面处理方法在N80钢表面上分别制备化学镀Ni—P、电镀Zn—Ni、热喷涂Ni—Cr—Fe—Ta—Mo—Ti和热浸镀Al—Zn—Si合金涂层,利用CO2高温高压腐蚀试验等方法评价其在模拟油田环境下的耐腐蚀性能。试验结果表明：四种涂层的耐腐蚀性能按Ni—P、Ni—Cr—Fe—Ta—Mo—Ti、Zn—Ni和Al—Zn—Si合金涂层的顺序依次减小。     

润滑相MoS2对等离子喷涂Ni60A复合涂层摩擦学特性的影响

在UMT-2微观磨损试验机(USA)上研究了润滑相MoS2对等离子喷涂Ni60A复合涂层摩擦学特性的影响,且对摩擦表面进行了SEM观察和分析。研究结果表明:MoS2的引入能有效降低涂层的摩擦系数和提高耐磨性;未添加MoS2的涂层的主要磨损机理为磨粒磨损和疲劳磨损;添加MoS2的涂层的主要磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损。     

润滑相MoS2对等离子喷涂Ni6OA复合涂层摩擦学特性的影响

在UMT-2微观磨损试验机(USA)上研究了润滑相MoS2对等离子喷涂Ni6OA复合涂层摩擦学特性的影响,且对摩擦表面进行了SEM观察和分析.研究结果表明:MoS2的引入能有效降低涂层的摩擦系数和提高耐磨性;未添加MoS2的涂层的主要磨损机理为磨粒磨损和疲劳磨损,添加MoS2的涂层的主要磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损.     

钛基骨螺钉表面二氧化钛纳米管涂层的制备及力学性能

采用阳极氧化法在Ti6Al4V骨螺钉表面制备了二氧化钛纳米管(TNTs)涂层,针对TNTs涂层与基底结合强度较低的问题,通过磷酸阳极氧化在TNTs涂层和基底界面处制备了致密的氧化层,提高了TNTs涂层与基底的结合强度。借助场发射扫描电子显微镜、纳米压痕仪、微动摩擦磨损试验机以及拧入-旋出猪胫骨实验,分析了TNTs涂层的微观结构、力学性能、微动磨损性能及机械稳定性。结果表明,在骨螺钉表面制备的TNTs涂层结构紧凑、排列有序,改善了骨螺钉的力学性能,缓解了植入物植入后的应力屏蔽,并且显著提高了Ti6Al4V合金的微动磨损性能,有效避免了在植入过程中的分层和剥落。     

油气管道X80管线钢的干式滑动摩擦磨损特性研究

以球-盘接触方式,通过X80管线钢(评价材料)与淬硬冷作模具钢Cr12Mo V(62±1HRC,对偶材料)的干式滑动摩擦磨损试验,揭示了滑动速度和法向载荷对摩擦特性的影响规律,分析了X80管线钢磨损表面的磨损机理。结果表明,滑动速度在0.05~0.15m/s范围时对摩擦系数的影响有限;当滑动速度在0.15~0.25m/s范围时对摩擦系数的影响较大。当载荷在1~3N范围时对摩擦系数的影响较大;载荷在3~9N范围对摩擦系数基本无影响。X80管线钢的磨损率随滑动速度的增大以线性方式增大,而随载荷的增大以非线性方式升高,载荷越大,影响越显著。X80管线钢的磨损以磨粒磨损与粘结磨损为主,疲劳磨损为辅。