C掺杂硬质膜层的组织及性能研究

多元硬质膜层以其高硬度、抗磨损性及抗高温氧化性能显著提高了工件表面的服役性能,然而其过高的摩擦系数(0.4-0.9)引起了膜层的严重磨损。采用等离子增强PVD(物理气相沉积)技术在高速钢基体表面沉积C掺杂的Si-C-N以及Ti-Al-Si-C-N五元硬质膜层,并利用SEM、XPS、TEM、MH-5显微硬度仪以及摩擦磨损试验仪研究了C掺杂对膜层显微组织、力学性能的影响规律。结果表明:C的掺杂显著改善了膜层的显微组织,膜层硬度可达41GPa以上,尤其是膜层的耐磨减摩性能得到了极大的提高,摩擦系数低至0.2以下,且在测试过程中,膜层并没有发生剥落、撕裂等显著的破坏形式。     

工作气压对TiBN/TiAlSiN纳米多层涂层的结构和性能影响

为应对高速干式切削、工磨具行业对新型防护涂层的需求,制造高硬度、耐摩擦磨损的纳米复合涂层具有巨大的市场前景。 采用阴极多弧离子镀技术,在不同的工作气压下用 TiB2 和 TiAlSi 合金靶作为阴极蒸发靶材,在硬质合金衬底上分别沉积了 TiBN,TiAlSiN 涂层和 TiBN/ TiAlSiN 多层涂层。 借助于 XRD、 XPS、 SEM、 AFM 和 HRTEM 对涂层的成分、形貌及微观结构进行表征分析。 并用纳米压痕硬度计和球盘式摩擦测试仪分别研究了涂层的硬度和摩擦磨损性能。 研究结果表明:TiBN/ TiAlSiN 涂层呈现一种非晶相包裹纳米多晶相的微观结构形态,工作气压越高,涂层表面越趋于光滑;涂层在 1. 0 Pa 工作气压下涂层显微硬度值达到 38 GPa;在 2. 0 Pa 的工作气压下,涂层显微硬度值约 34 GPa,摩擦因数低于 0. 29。 与 TiBN 和 TiAlSiN 涂层相比,TiBN/ TiAlSiN 纳米多层涂层的机械、摩擦学性能更加优越,这为应用在干式切削、磨削工具领域的硬质润滑多层涂层的制备与研究指明了一条方向。     

TiAlSiN纳米复合涂层的改性研究现状及发展

随着切削技术向高速、高效、高精、绿色、智能方向发展,切削加工对刀具及涂层性能提出了更高的要求,以TiAlSiN涂层为代表的四元硬质涂层发展迅速。综述了单层TiAlSiN纳米复合涂层的制备工艺、结构与性能特点,根据TiAlSiN单层涂层存在低韧性和低结合强度的问题,提出了对TiAlSiN涂层改性研究的必要性。综述了结构改性、成分改性以及二者相结合改性TiAlSiN涂层的制备工艺、结构与性能特点,指出了纳米多层结构的TiAlSiN涂层中存在的横向层间界面对原子的扩散具有良好的阻碍作用,涂层的抗氧化性由此被提高,涂层硬度等力学性能受多层结构的调制层成分、调制周期等因素影响而被提高或降低。介绍了C、Cu、Cr、V等合金化元素在TiAlSiN涂层中的作用效果,C元素在涂层中具有减摩作用,Cu元素的主要作用是增强涂层与基体的结合,Cu、Cr、V元素在涂层中均使涂层硬度不同程度降低,提出了最大限度发挥添加元素与层间界面结构的协同作用来获取最佳性能的纳米多层结构TiAlSiN基多元涂层是今后研究的重要方向之一。此外,还提出了通过基体前处理和涂层后处理增强TiAlSiN涂层韧性和层基结合强度的发展方向。     

轧制成形与挤压成形2A12铝合金硬质阳极氧化膜性能对比研究

目的通过对轧制成形与挤压成形2A12铝合金金相组织结构与成分的对比研究,获得两种成形方式下的铝合金经过硬质阳极氧化后膜层性能产生差异的原因。方法利用Keller试剂腐蚀基材试样,通过金相显微镜观察腐蚀形貌并分析结构差异。利用场发射电子显微镜、能谱仪、显微硬度计、Tafel极化曲线和摩擦磨损试验仪,对轧制成形与挤压成形2A12铝合金基材组织结构及氧化膜的微观形貌、成分、硬度、耐蚀性和耐磨性进行分析。结果挤压成形2A12铝合金内部组织析出相破碎程度较大,存在大量微孔以及由于析出相脱落而残留的坑洞,而轧制成形2A12铝合金组织结构较为致密平整,其制备的硬质阳极氧化膜厚度为66.03μm,硬度为457.26 HV,粗糙度为0.98μm,磨损量为0.0149 mg,比挤压成形2A12铝合金制备的氧化膜厚度高出4.11μm,硬度高出221.10HV,粗糙度降低了0.94μm,磨损量低0.7208 mg。结论 2A12铝合金经过轧制成形后,其内部组织更均匀致密,析出相破碎率低,在相同工艺条件下,制备的硬质阳极氧化膜综合性能更优异。     

硬质粒子扰动对电铸铜微观结构与性能的影响

在铜的电铸过程中，通过陶瓷微珠等硬质粒子摩擦和扰动电铸层表面来改善电铸层的质量。对所制备的铜电铸层的表面形貌、织构等微观结构和显微硬度、抗腐蚀等性能进行测试和分析，并与传统方法所制备的铜电铸层相比较。结果表明：硬质粒子在电铸过程中对电铸层表面的摩擦和扰动具有显著的除瘤和整平作用，使所制备的铜电铸层外观光亮平整，显著改变其微观结构和性能；铜电铸层各晶面的衍射强度降低，（200）晶面的择优程度减小，（111）晶面的择优程度增大；显微硬度值由HV156增至HV221；抗腐蚀性能显著提高，在NaCl溶液中的腐蚀速率降低了20％。     

等离子熔敷铁基合金涂层组织和性能

分析不同成分下铁基合金熔敷层的组织和性能,为工业应用奠定基础。采用等离子喷焊设备制备铁基合金熔敷层,并对表面渗透探伤,检验表面裂纹。采用火花直读光谱仪检测熔敷层化学成分,分析化学成分对显微组织的影响。采用洛氏硬度计及销盘式摩擦磨损试验机检测硬度及磨损失重,分析显微组织对硬度及耐磨性的影响。结果表明,当Creq/Nieq值为0.26时,熔敷层表面出现裂纹。Creq和Nieq影响熔敷层显微组织,基体以奥氏体为主。5种合金堆焊层硬度均大于40 HRC,并且Creq/Nieq值与硬度及耐磨性没有线性关系。随着硬度的增加耐磨性提高,Fe5的耐磨性最好,磨损失重只有3.65g。但当硬度达到59 HRC时,耐磨性降低。因此熔敷层的化学成分特别是w(C)决定了显微组织,w(C)的增加使熔敷层出现M_7C_3等硬质相,硬度及耐磨性提高,当硬度达到一定值时,出现裂纹,硬质相易脱落,导致耐磨性下降。     

40CrNiMoA钢微弧离子镀CrC和CrCN膜层的摩擦学性能

以40Cr Ni Mo A钢作为镀膜基板,采用微弧离子镀技术制备了Cr C和Cr CN镀层,通过Cr靶电流的变化来调整工作层中的Cr含量,利用SEM、划痕仪、硬度测试计和磨损仪等手段研究了Cr含量变化和N的添加对镀层结构和摩擦学性能的影响。结果表明,少量Cr元素的掺入可改善Cr C镀层的纤维状组织结构,有利于Cr C膜层与基体的结合强度、硬度值的提升和摩擦因数的降低;但较多的Cr会造成柱状组织的产生,导致膜层的结合强度降低和摩擦因数升高。添加N元素后,Cr CN镀层中生成弥散强化相,显著提升了膜层的结合强度和硬度值,但过量的硬质相易团聚呈粗大柱状结构,降低了Cr CN镀层性能。     

TA1纯钛表面镍基喷焊层的组织和磨损性能

利用等离子喷焊技术在TA1纯钛表面制备了镍基耐磨喷焊层,研究了喷焊层结构、显微组织和显微硬度以及摩擦磨损性能。结果表明:喷焊层由过渡层和强化层组成,焊层与基体间形成了基于原子扩散的冶金结合界面及以树枝晶为主的过渡层。喷焊层的组织主要由γ-Ni固溶体,γ-Ni(Ti)固溶体以及TiC、Cr_7C_3、Ni_3B和TiB_2等硬质相组成。强化层为韧Ni基体+硬质相耐磨组织,硬度(HV_(0.5))在8300~9070 MPa之间,较基体高出7000 MPa。喷焊层主要合金元素的扩散、显微组织变化及显微硬度沿层深方向的分布具有连续性和渐变性。与基材TA1对比试验表明,喷焊镍基合金后摩擦系数降低,耐磨性明显提高,喷焊层磨损面呈轻微的磨粒磨损特征。     

适于深井钻杆的自熔合金喷焊层磨损特性研究

采用喷焊技术在低碳钢表面获得合金熔覆层。对喷焊层的形貌，组织，硬质相等进行了分析。利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机等对喷焊熔覆层显微组织、化学成分、相结构、显微硬度和摩擦磨损性能进行了研究。并与国外耐磨材料在相同的磨损条件下进行磨损对比试验。结果表明：制备的合金涂层具有较高的硬度，达到58HRC，其相对耐磨性提高了4．7倍。     

多元等离子体浸没离子注入与沉积和磁控溅射技术制备TiAlSiN/WS_2多层薄膜的力学性能和腐蚀行为(英文)

为了降低超硬TiAlSiN复合涂层的摩擦因数,采用多元等离子体浸没离子注入与沉积和射频(RF)磁控溅射技术制备TiAlSiN/WS2多层薄膜,利用XRD、SEM、Raman光谱、纳米探针、摩擦和电化学试验对薄膜的微结构、力学性能和腐蚀行为进行测试与分析。SEM结果表明:TiAlSiN/WS2多层薄膜具有清晰的调制周期。纳米硬度结果表明,TiAlSiN/WS2多层薄膜硬度介于TiAlSiN和WS2涂层硬度之间。摩擦实验结果证实TiAlSiN/WS2多层薄膜的摩擦因数低于TiAlSiN涂层的,且摩擦过程平稳。此外,TiAlSiN/WS2多层薄膜表现出良好的抗腐蚀能力,在相对较小的调制周期内,其腐蚀电流密度显著降低。     

TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展

TiAlSiN涂层具有耐温性好、化学惰性高等优异性能,其作为防护层被广泛应用于摩擦零部件、机械加工工具上。但TiAlSiN涂层内应力过大导致的力学性能不足,限制了其在严苛工况下的进一步应用。总结了目前改善TiAlSiN涂层力学性能的主要措施：涂层微观结构优化、膜层结构设计以及热处理工艺。对改善涂层力学性能所涉及的细晶强化、共格效应、固溶强化以及模量差理论等机理进行了全面的描述,并详细地对比分析了上述理论之间的内在联系与差异。系统地讨论了纳米多层和梯度复合膜层结构对涂层力学性能的影响规律,主要从调制结构以及成分调整2个角度对膜层结构变化进行了分析,有利于指导具有良好力学性能的膜层结构的设计。此外,分别阐述了退火温度、时间以及气氛环境对TiAlSiN涂层力学性能的影响规律,分析了退火条件对涂层微观结构的影响以及微观结构与力学性能之间的关系。在此基础上,提出了未来可以从基础理论和改善措施之间的协同作用角度,对TiAlSiN涂层力学性能的改善展开进一步研究。     

Effect of Ti content on the microstructure and mechanical properties of TiAlSiN nanocomposite coatings

TiAlSiN coatings has been proposed and studied because of their desirable properties in hardness and coating-substrate adhesion. Further improvement of their performance can be achieved by better understanding the effect of the concentration of each element on the microstructure and mechanical properties of the coatings. In this paper, the TiAlSiN coatings with different Ti content were deposited by reactive DC magnetron sputtering method. The microstructure and mechanical properties of the coatings were analyzed by energy dispersive spectroscopy, X-ray diffraction, transmission electron microscope, scanning electron microscope, nano-indentor and Rockwell indentation tester. The results reveal that TiAlSiN coatings consisted of amorphous phase and crystalline phase. With a Ti content of 63 at.%, as well as a Si content of 7 at.%, a super-hard TiAlSiN coating with a nanoindentation hardness of 66 GPa was achieved. What is more, in contrast to the well-described super-hard nanocomposite TiAlSiN coatings, another “nanocomposite” microstructure coating with a Ti content of 29 at.% in which the amorphous phase is wrapped in a crystalline phase was identified, with a comparatively low hardness value of 20 GPa. The highest adhesion strengths with a Rockwell indentation classes HF2 was achieved for a coating with a Ti content of 63 or 65 at.%.     

真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层性能的影响

为提高TiAlSiN涂层的力学性能,研究了真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层微观组织和力学性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、自动划痕仪、纳米压痕仪、摩擦磨损测试仪等表征其表面形貌、物相组成和力学性能。结果表明:热处理引起了涂层的晶格畸变,降低了TiN固溶体相的平均晶格常数,导致其衍射峰向高角度偏移;热处理会粗化涂层表面,并导致TiAlSi中间过渡层界面消失。经过800℃热处理后,涂层的纳米硬度和结合力达到最大值,分别为35.01 GPa和54.45 N;涂层的平均摩擦因数最小,由热处理前的0.679降低至0.372,比热处理前下降了约45.2%。     

TiAlN,TiAlSiN涂层的制备及其切削性能

目的研究TiAlN及TiAlSiN涂层的微观结构及力学性能,以及硬质合金涂层刀具切削SUS304不锈钢的切削性能及磨损行为。方法采用阴极电弧离子镀技术在硬质合金试片及铣刀上分别制备纳微米TiAlN及TiAlSiN涂层。通过X射线荧光测量系统测量涂层的厚度,用扫描电镜(SEM)观察涂层表面形貌,用能谱仪(EDAX)分析涂层元素成分,用X射线衍射(XRD)分析涂层晶相结构,用纳米压痕仪表征涂层硬度,用洛氏硬度计定性测量涂层结合力,通过高速铣削试验探究涂层刀具的切削性能及磨损行为。结果 TiAlN及TiAlSiN涂层的厚度分别为3.32μm和3.35μm,表面致密、光滑,高分辨率(20 000×)下观察到涂层表面有液滴、针孔及凹坑存在。Si元素促进了Ti N(200)晶相的生长,晶粒尺寸减小,硬度增加。TiAlN及TiAlSiN涂层的显微硬度分别为29.6 GPa及37.7 GPa,结合力分别满足VDI-3198工业标准的HF3和HF1等级。在130 m/min的高速切削条件下,TiAlSiN涂层刀具寿命约为未涂层刀具的5倍,TiAlN涂层刀具的1.5倍。结论 Si掺杂制备的TiAlSiN涂层具有高的硬度及良好的抗粘附性,更适用于不锈钢材料的高速切削加工。     

TiAlSiN多元PVD涂层的研究

采用PVD方法在硬质合金基体上制备了不同成分与结构的TiAlN涂层和TiAlSiN涂层。研究了涂层的组织结构和物理性能,分析了Si元素掺杂在TiAlN基涂层中的作用机理及其对涂层性能的影响,并通过切削实验对涂层刀具的使用性能进行了验证。结果表明:在TiAlN基涂层中添加了Si元素获得了明显区别于TiAlN涂层的组织结构,Si元素以Si3N4非晶相形式包覆在TiAlN晶界,一方面起到了细化涂层晶粒尺寸提高涂层硬度的效果,另一方面还可以提高涂层的热稳定性能。切削实验表明,含Si元素的TiAlSiN涂层在许多应用条件下也表现出较TiAlN涂层更优异的使用性能。     

Structure and mechanical properties of TiAlSiN/Si3N4 multilayer coatings

TiAlSiN/Si₃N₄ multilayer coatings which have different separate layer thicknesses of TiAlSiN or Si₃N₄ were deposited onto glass sheets, single-crystal silicon wafers and polished WC-Co substrates by reactive magnetron co-sputtering. The morphology, crystalline structure and thickness of the as-prepared multilayer coatings were characterized by TEM, SEM, XRD and film thickness measuring instrument. The mechanical properties of the coatings were evaluated by a nanoindenter. The effects of monolayer thickness on the microstructure and properties of TiAlSiN/Si₃N₄ multilayer coatings were explored. The coatings showed the highest hardness when the thickness of Si₃N₄ and TiAlSiN monolayers was 0.33 nm and 5.8 nm, respectively. The oxidation characteristics of the coatings were studied at temperatures ranging from 700 °C to 900 °C for oxidation time up to 20 h in air. It was found that the coatings displayed good oxidation resistance.     

PVD涂层刀具高速铣削CoCrMo合金的性能研究

目的为了提高涂层硬质合金刀具的切削性能,研究了物理气相沉积PVD法制备的涂层硬质合金铣刀在高速干式环境下的铣削性能。方法采用阴极电弧技术制备了TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层硬质合金铣刀刀头,通过一同沉积涂层的硬质合金圆片,间接测量得出涂层的显微硬度、厚度和平均摩擦系数,并以CoCrMo合金为切削对象,进行了PVD涂层与无涂层刀具高速铣削下的对比试验。结果TiAlSiN显微硬度最高达3800HV,摩擦系数达0.3,TiAlN涂层平均膜厚为2μm,间接测得TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层的结合力依次为60、58、42N。在三者的切削性能中,TiAlSiN涂层的切削性能比TiAlN和TiN涂层的好,同等切削参数时,TiN刀具的高速铣削时间最短,TiAlSiN涂层的平均磨损值为0.1895,TiN的平均磨损值为0.3047。结论涂层中添加Al、Si,极大地提高了刀具的使用性能,改善了刀具切削过程中的耐磨性、红硬性,极大地延长了刀具的使用寿命。TiAlSiN涂层的硬度高,耐磨损性好,切削性能好,适合高速铣削加工。     

Si含量对多元等离子体浸没离子注入与沉积技术制备TiAlSiN涂层微结构和机械性能的影响(英文)

采用多元等离子体浸没离子注入与沉积制备TiAlSiN纳米复合涂层,利用EDX,XRD,SEM,XPS,纳米探针和划痕试验对涂层成分组成、微结构和机械性能进行测试分析。XRD测试表明,TiAlSiN涂层具有较强的TiN(200)择优取向。XPS测试表明,TiAlSiN涂层中也含有AlN、Si3N4、Al2O3和Ti2O3。与制备的TiN涂层相比,当涂层中的Si含量为0.9%时,TiAlSiN涂层表现出较高的硬度,达32GPa,但涂层的断裂韧性和结合强度较低;当涂层中的Si含量增加至6.0%时,TiAlSiN涂层具有超高的硬度57GPa,并表现出较好的断裂韧性和结合强度。     

多弧离子镀制备CrAlSiN/TiAlSiN纳米涂层的结构和性能研究

目的研究调制周期对CrAlSiN/TiAlSiN纳米复合涂层结构和力学性能的影响。方法采用多弧离子镀技术,以AlCrSi靶和AlTiSi靶作阴极弧靶材料,通过改变衬底的转速(转速分别为2、4、6、8r/min)来调整涂层结构的周期,制备不同调制周期CrAlSiN/TiAlSiN纳米复合涂层。用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜和原子力显微镜,测量了涂层的组织结构、化学成分、表面及截面形貌,用显微硬度计、划痕试验仪和摩擦仪测量了不同调制周期的涂层的力学性能。结果不同转速下,CrAlSiN/TiAlSiN纳米复合涂层具有相同的晶相结构,包含CrAl、CrN和TiN,其中Al元素几乎全部固溶在CrAl相中。Si元素在涂层中以非晶相的形式存在或被非晶化合物所包裹。随着转速的增大,复合涂层的硬度呈现先增大后减小的趋势,而摩擦因数与均方根粗糙度则呈现出先减小后增大的趋势,即硬度越大,摩擦因数和均方根粗糙度越小。结论CrAlSiN/TiAlSiN纳米复合涂层的硬度和摩擦因数受调制周期的影响较大。当转速为6r/min时,制备的涂层具有最大的显微硬度(38GPa)和最小的摩擦因数(0.375)。     

Machining performance of Ti-Al-Si-N coated inserts

Ti-Al-Si-N quaternary coating has recently been developed for industrial applications due to its excellent machining performance. Here, we present a comparative research on Ti-Al-N single layer, Ti-Al-Si-N single layer, TiAlN-TiAlSiN bilayer and TiAlN/TiAlSiN multilayer coatings deposited onto cemented carbide substrates by cathodic arc evaporation. The incorporation of Si into the Ti-Al-N coating results in an increase in hardness and thermal stability due to the formation of nanocomposite nc-TiAlN/a-Si₃N₄, and thereby causes an improved performance during continuous cutting. However, the lower toughness and adhesive strength with a substrate reduce its cutting-life during milling. Further optimization of Ti-Al-Si-N coated inserts during milling can be obtained by a structure adjustment from the nanocomposite into TiAlN-TiAlSiN bilayer and TiAlN/TiAlSiN multilayer coatings, which causes an increase to 156% and 172% for the life-time of Ti-Al-Si-N coated inserts, respectively. Our results indicate that the machining performance of coatings containing Si in both continuous cutting and milling can be optimized by the structure design of the TiAlN/TiAlSiN multilayer, where the coating sustains a high hardness of the Ti-Al-Si-N coating combined with a good cohesive strength with the substrate similar to the Ti-Al-N coating.