多弧离子镀负偏压对氮化钛薄膜的影响研究

在4Cr13不锈钢表面制备TiN薄膜,通过改变负偏压,探讨偏压对薄膜的表面质量、结构、硬度、结合力和摩擦系数的影响。结果表明：负偏压对薄膜的表面质量影响较大。偏压为0 V时,TiN薄膜表面凹凸不平,液滴较多。随着偏压的升高,薄膜表面变得光滑,液滴的尺寸和数量都减小,致密性也得到提高;TiN薄膜在不同偏压下均体现出了在(111)晶面的择优取向,但随着偏压的增大,这种择优取向逐渐减弱,当偏压达到400V时,薄膜在(220)晶面的峰值逐渐增强;当偏压在0 V-400 V之间变化时,薄膜的硬度先增大后减小,当偏压为300 V时,薄膜硬度达到最大值2650 HV;超过300 V时,薄膜的硬度开始降低;当偏压为200 V时,薄膜的结合力为42 N左右;偏压为300 V时,薄膜结合力最大为58 N,偏压为400 V时,薄膜的结合力反而出现下降,为42 N;当偏压为：0V、200V、300V、400V时：平均摩擦系数分别为：0.66、0.55、0.48和0.5;适当的偏压可以提高薄膜的硬度、结合力、耐磨性等性能,当偏压为300 V时,薄膜的各项性能达到最佳。     

脉冲偏压对复合离子镀(Ti,Cu)N 薄膜结构与性能的影响

目的 (Ti,Cu)N薄膜是一种新型的硬质涂层材料,关于其结构和性能的研究报道还较少。研究脉冲偏压对(Ti,Cu)N薄膜结构与性能的影响规律,以丰富该研究领域的成果。方法将多弧离子镀和磁控溅射离子镀相结合构成复合离子镀技术,采用该技术在不同脉冲偏压下于高速钢基体表面制备(Ti,Cu)N薄膜。分析薄膜的微观结构,测定沉积速率及薄膜显微硬度,通过摩擦磨损实验测定薄膜的摩擦系数。结果在不同偏压下获得的(Ti,Cu)N薄膜均呈晶态,具有(200)晶面择优取向,当脉冲偏压为-300 V时,薄膜的择优程度最明显。随着脉冲偏压的增加,薄膜表面大颗粒数量减少且尺寸变小,表面质量提高;沉积速率呈现先增大、后减小的趋势,在脉冲偏压为-400 V时最大,达到25.04 nm/min;薄膜硬度也呈现先增大、后减小的趋势,在脉冲偏压为-300 V时达到最大值1571.4HV。结论脉冲偏压对复合离子镀(Ti,Cu)N薄膜的表面形貌、择优取向、沉积速率和硬度均有影响。     

负偏压对电弧离子镀复合TiAlN 薄膜的影响

采用电弧离子镀技术,以W18Cr4V高速钢为基体,调整基体负偏压,制得多个复合TiAlN薄膜试样,研究了基体负偏压对薄膜微观组织形貌、物相组成、晶格位向、硬度、厚度和沉积速率的影响。结果表明,过高或过低的负偏压会使得膜层表面不平整,显微硬度下降。当负偏压为200 V时,膜层的沉积速率最大;负偏压为150 V时,有利于薄膜(111)晶面的择优取向生长,且TiAlN膜的硬度最高。     

高速钢表面多弧离子镀(Ti,Al)N薄膜及性能研究

采用多弧离子镀技术在W18Cr4V表面制备出(Ti,Al)N硬质薄膜,研究了Al含量对(Ti,Al)N薄膜的形貌、硬度、膜基结合力、耐磨性、摩擦系数的影响。并利用扫描电镜、X射线衍射仪对薄膜进行了分析。结果表明Al含量在25%左右的(Ti,Al)N薄膜硬度达到2780HV0.05,耐磨性好,摩擦系数仅为0.168,且与钢基体结合良好,具有最佳的综合性能。     

高速钢表面多弧离子镀(Ti,Al)N薄膜及性能研究

采用多弧离子镀技术在W18Cr4V表面制备出（Ti，Al）N硬质薄膜，研究了Al含量对（Ti，Al）N薄膜的形貌、硬度、膜基结合力、耐磨性、摩擦系数的影响。并利用扫描电镜、X射线衍射仪对薄膜进行了分析。结果表明Al含量在25％左右的（Ti，Al）N薄膜硬度达到2780HV0．05，耐磨性好，摩擦系数仅为0．168，且与钢基体结合良好．具有最佳的综合性能。     

偏压对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

目的通过调节偏压,改善无氢DLC薄膜的微观结构,提高其力学性能和减摩抗磨性能。方法采用离子束辅助增强磁控溅射系统,沉积不同偏压工艺的DLC薄膜。采用原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌,采用拉曼光谱仪对薄膜的微观结构进行分析,采用纳米压痕仪测试薄膜硬度及弹性模量,采用表面轮廓仪测定薄膜沉积前/后基体曲率变化,并计算薄膜的残余应力,采用大载荷划痕仪分析薄膜与不锈钢基体的结合力,采用TRB球-盘摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦学性能,采用白光共聚焦显微镜测量薄膜磨痕轮廓,并计算薄膜的磨损率。结果偏压对DLC薄膜表面形貌、微观结构、力学性能、摩擦学性能都有不同程度的影响。偏压升高导致碳离子能量升高,表面粗糙度呈现先减小后增加的趋势,-400V的薄膜表面具有最小的表面粗糙度且C─C sp^3键含量最多,这也导致了此偏压下薄膜的硬度最大。薄膜的结合性能与碳离子能量大小呈正相关,-800 V时具有3.98 N的最优结合性能。不同偏压工艺制备的薄膜摩擦系数随湿度的增加,均呈现减小的趋势,偏压为-400V时,薄膜在不同湿度环境中均显示出最优的摩擦学性能。结论偏压为-400 V时,DLC薄膜综合性能最优,其表面粗糙度、硬度、结合力和摩擦系数分别为2.5 nm、17.1 GPa、2.81 N和0.11。     

钢领表面电弧离子镀TiAlCN薄膜

在低温(145℃)条件下,采用真空电弧离子镀技术在GCr15钢领表面制备TiAlCN薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、附着力测试仪和显微硬度计分析测试薄膜形貌和性质。结果表明,负偏压较小,液滴尺寸大;负偏压过高,液滴脱落后留下很多凹坑,薄膜组织性能恶化。随着弧电流的增大,液滴发生细化。当弧电流为50A、负偏压为-100V和镀膜时间为50min时,薄膜的均匀性和致密性好,薄膜表面的液滴分布均匀且尺寸小,液滴最大尺寸小于2μm,膜层平均厚度为2.2μm,膜层中有Fe0.975Ti0.025(110)、Ti2N(112)和AlTi3(CN)0.6等多种物质的存在,改善了膜层的组织结构,薄膜的附着力达到最大值39.8N,薄膜的硬度达到最大值1 776HV0.01,显著提高了钢领的表面硬度。     

磁控溅射沉积Ti/TiN多层膜的组织特征及耐磨损性能

采用固定Ti间隔层厚度,改变Ti N层厚度的方法在Ti6Al4V合金表面制备Ti/Ti N多层膜,研究循环周期对Ti/Ti N多层膜的相结构、形貌特征、结合力、硬度和在模拟人体液中摩擦磨损行为的影响.结果表明,与Ti N单层膜相比,Ti/Ti N多层膜中Ti N由(111)择优取向转变为(200)择优取向,多层膜表面粗糙度、硬度和结合力得到显著改善.增加循环周期降低Ti/Ti N多层膜表面硬度,但有利于提高结合强度.多层Ti/Ti N膜的强韧化主要来自于Ti N层的细晶强化和界面共格强化效应.当Ti N与Ti层厚度比为30,循环周期为3时,Ti/Ti N多层膜具有良好的综合性能,硬度为15.8 GPa,结合强度为50 N,摩擦系数为0.35,体积磨损率低于4.0×10-6mm3/(N·m).     

电弧离子镀CrN薄膜的制备及性能研究

以气压、弧电流和偏压为影响因素设计正交试验,采用电弧离子镀技术在6Cr13Mo马氏体不锈钢表面沉积Cr N薄膜。利用扫描电镜、显微硬度计、划痕仪对Cr N薄膜的厚度、硬度、结合力进行检测,研究薄膜性能并优化其制备工艺。结果表明:靶电流对薄膜厚度及结合力影响最大,随着电流升高,膜层厚度急剧增大,而结合力逐渐降低;对薄膜硬度影响最大的为负偏压,随着偏压升高,膜层硬度先升高后降低。综合考虑Cr N薄膜的表面质量、硬度、结合力,得到最佳制备工艺为气压1.4 Pa、靶电流100 A、偏压-100 V。     

脉冲偏压对电弧离子镀TiCN薄膜组织结构的影响

目的改善TiCN薄膜的组织结构,进一步提高其硬度与结合力。方法采用电弧离子镀技术,通过改变脉冲偏压的幅值,制备一系列的TiCN薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜的表面和截面形貌,采用X射线衍射(XRD)对薄膜进行物相分析,用X射线光电子谱(XPS)表征元素的化学状态,通过能谱仪(EDS)分析薄膜的成分。采用显微维氏硬度计测量薄膜硬度,使用3D轮廓仪测量薄膜厚度,利用多功能材料表面性能试验仪进行划痕测试。结果偏压对薄膜的硬度、结合力、组织结构和沉积速度都有影响。随着脉冲偏压的提高,TiCN薄膜晶粒逐渐细化,沉积速率、结合力有先增大后减小的趋势,TiCN薄膜的硬度保持线性提高。偏压为-200 V时,TiCN薄膜出现C_3N_4新相,此时薄膜的硬度和结合力都大幅度提高,表面形貌发生突变,液滴最多。偏压为-250 V时,TiCN薄膜综合性能最好,并且表面的液滴明显减少,此时硬度值为4017HV,结合力为51 N。结论偏压对组织结构及碳元素在薄膜中的存在形式有一定影响,适当地改变脉冲偏压可以使TiCN薄膜的显微组织更加致密,同时,形成的弥散硬化相使薄膜具备较高的硬度和膜基结合强度。     

负偏压对多弧离子镀TiN薄膜的影响

采用不同偏压,在201不锈钢表面进行多弧离子镀TiN薄膜,研究了偏压对薄膜表面形貌、硬度、相结构及耐蚀性的影响.研究表明:薄膜表面存在着许多液滴颗粒,随着偏压的增加,液滴减少,但过大的偏压会使表面出现凹坑;薄膜的显微硬度随偏压的升高先增大后减小,偏压为-200 V时的本征硬度为2 195HV;在3.5％的NaCl溶液中...     

负偏压对多弧离子镀 TiN 涂层大颗粒形貌及像素分布的影响

目的分析不同负偏压下Ti N涂层表面的大颗粒数量、尺寸和面积以及像素分布,为多弧离子镀技术的工业化应用提供基础数据。方法采用多弧离子镀膜技术,以脉冲负偏压为变量,在硬质合金表面沉积Ti N涂层。用扫描电子显微镜对涂层表面形貌进行表征,并利用Image J软件对表面大颗粒的数量和尺寸进行分析,对像素分布进行统计。结果随着负偏压的增加,涂层表面大颗粒的数量先增多,后减少。负偏压为100 V时,大颗粒数量最多,为1364;负偏压为300 V时,大颗粒数量最少,为750。此外随着负偏压的增加,大颗粒所占涂层面积比逐渐减小。未加负偏压时,涂层表面大颗粒所占面积比最大,为6.9%,且此时涂层的力学性能最差;采用400 V负偏压时,涂层表面大颗粒所占面积比最小,为3.3%,且此时涂层的力学性能最好。负偏压为300 V时,亮、暗像素点的个数最多,为8302;负偏压为400 V时,亮、暗像素点的个数最少,为4067。结论当占空比为30%,沉积时间为1 h,负偏压为400 V时,获得的涂层力学性能最好,颗粒数量少且尺寸小。     

沉积偏压对AlCrTiN纳米复合涂层力学与抗高温氧化性能的影响

沉积偏压对涂层的结构与性能具有重要影响,为研究其对AlCrTiN纳米复合涂层成分、组织结构、力学与抗高温氧化性能的影响规律,采用磁控溅射技术,改变沉积偏压(-30、-60、-90、-120 V)制备四种AlCrTiN纳米复合涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、纳米压痕仪等仪器表征涂层的组织结构、成分、力学性能和抗高温氧化性能。研究结果表明：不同偏压下制备的AlCrTiN纳米复合涂层均为NaCl型fcc-(Al,Cr,Ti)N相结构。随着沉积偏压增大,涂层由沿(111)晶面择优生长转变为无明显的择优生长取向,晶粒尺寸降低,残余应力和硬度增大。偏压为-90 V与-120 V时,涂层表面更加致密,具有更高的硬度和弹性模量。在800℃与900℃氧化1 h后,所有涂层表面均生成一层连续致密的Al₂O₃膜。随着沉积偏压增加,氧化膜厚度逐渐降低,表明抗高温氧化性能逐渐增强,这是因为高偏压下涂层组织更致密,且晶粒更细小。研究成果对AlCrTiN纳米复合涂层的综合性能提升与工程化应用具有一定指导意义。     

梯度基体负偏压真空多弧离子镀沉积TiN涂层及其力学性能

目的通过梯度基体负偏压沉积工艺,获得综合性能优良的Ti N涂层。方法采用多弧离子镀工艺,在0~-180 V连续变化的梯度基体负偏压参数下沉积梯度Ti N涂层。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜对涂层的物相结构和形貌进行分析,通过纳米压痕和纳米划痕对涂层的力学性能进行系统研究。结果与无梯度沉积的涂层相比,梯度基体负偏压沉积Ti N涂层的(111)晶面衍射峰减小,厚度增加,表明涂层的沉积速率增大。经测试,梯度涂层的断裂临界载荷L_(c2)=215.21 m N,硬度值H=31.2GPa,弹性模量E=498 GPa,塑性变形临界载荷L_y=81.65 m N;无梯度沉积涂层的L_(c2)=248.63 m N,H=29.6 GPa,E=452 GPa,L_y=23.39 m N。二者相比之下,梯度涂层虽然断裂临界载荷有所减小,但硬度值和弹性模量均有所增大,并且塑性增大,塑性变形临界载荷大幅增加,综合力学性能提高。结论梯度基体负偏压沉积工艺改变了常规的单一参数设置,在沉积过程中,基体负偏压对涂层生长的影响不断改变,获得的涂层具有结构上的梯度变化,从而力学性能得到了改善。     

偏压对MPP制备AlTiSiN纳米复合涂层结构及性能的影响

目的实现对AlTiSiN纳米复合涂层微观组织结构的调控及力学性能优化。方法利用可调控脉冲磁控溅射技术,通过调控基体偏压(-50～-250 V)制备了不同偏压条件下的AlTiSiN纳米复合涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)、薄膜综合性能测试仪及球盘摩擦试验仪,测试了涂层的微观组织结构、组成成分、表面形貌、力学性能及摩擦学性能。结果偏压对涂层元素组成影响不大。微观组织结构方面,不同偏压条件下制备AlTiSiN纳米复合涂层的晶面衍射峰宽化现象明显,呈现纳米晶组织结构。-200V条件下制备的涂层的晶面衍射峰呈"馒头峰"形态,表明涂层结晶性能出现明显下降,呈类非晶组织结构;偏压升至-250V时,高能离子对涂层生长表面的持续轰击作用,使得涂层生长表面升温明显,导致结晶性能出现明显改善。涂层表面光滑致密,表面粗糙度最低可达1.753nm。力学性能方面,随基体偏压的升高,涂层硬度在取得最大值后逐渐下降,最高硬度可达25.9 GPa,H/E*系数可达0.13。摩擦学性能方面,偏压为-200 V时,涂层磨损率取得最小值4.7×10~(-15) m~3/(N×m)。结论改变基体偏压,成功实现了涂层微观组织结构的调控生长,进而达到了优化涂层组织结构、力学性能及摩擦学性能的目的。     

N2流量对等离子体增强磁控溅射TiN涂层的影响

目的研究N_2流量对等离子体增强磁控溅射TiN涂层组织结构和性能的影响,优化TiN涂层的制备工艺。方法在不同N_2流量的条件下,采用等离子体增强磁控溅射法制备TiN涂层。采用3D形貌仪和扫描电子显微镜观察涂层的表面形貌,利用X射线衍射仪测定涂层的相结构,利用显微硬度计测试涂层试样的硬度,利用球-盘摩擦磨损试验机考察涂层试样的摩擦磨损性能,利用能谱仪分析磨痕表面的化学组成。结果 N_2流量小于61.5 mL/min时,增加N_2流量对总气压和靶电压的影响很小;N_2流量超过61.5 mL/min后,总气压和靶电压均随着N_2流量的增加而显著增大。随着N_2流量的增大,制备的TiN涂层X射线衍射谱中的TiN(111)、TiN(220)衍射峰强度不断增大,TiN(200)衍射峰强度先不变后突然减小。N_2流量约为61.5 mL/min时,制备的TiN涂层试样的致密性最好,硬度最高。N_2流量在50~61.5 mL/min范围内,制备的TiN涂层试样的磨损率较低,最低可达7.4×10~(-16) m~3/(N·m)。当N_2流量超过63 mL/min后,TiN涂层试样的磨损率显著增大。结论 N_2流量对等离子体增强磁控溅射TiN涂层择优取向、硬度及摩擦磨损性能的影响较显著,N_2流量约为61.5 mL/min时,制备的TiN涂层试样的硬度和耐磨性最好。     

Mechanical Behaviors of Ti-Si-N Coatings Deposited by Bias Sputtering

Ti-Si-N hard coatings were deposited on steel substrates by reactive unbalanced magnetron sputtering from Ti and Si elemental targets in a mixture of Ar and N2 gases.The influences of negative bias voltage(in the range of-30 to-80 V)on the mechanical properties of the coatings were investigated.In particular,the critical cycle during dynamic impact tests was employed to indicate the bonding strength of the coatings.It was found that the Ti-Si-N coatings prepared at lower constant bias voltages could effectively improve the adhesion and the cyclic impact performance,but their hardness was dropped significantly to 13 GPa at a bias of-30 V.Higher bias voltage values induced greater hardness.A maximum hardness of 47 GPa was obtained at a bias of-60 V.However,the coating adhesion was worse in this case,and the number of impact cycles(～8×10 3)that the coatings could endure was much shorter than that of TiN binary coatings(～2×104).On the other hand,the bias voltage was varied linearly from-40 to-60 V during Ti-Si-N deposition.Under this circumstance,the hardness of the coatings deposited with the bias-graded configuration remained very high(42 GPa),and the adhesion strength was improved substantially.Also,the critical impact cycle could reach as high as 1.8×104.Therefore,bias-graded deposition can provide an effective processing route to prepare Ti-Si-N superhard coatings with high adhesion strength and impact resistance.     

恒电位对TiN涂层在人工海水环境中腐蚀磨损的影响

目的研究不同恒电位对TiN涂层在人工海水环境中腐蚀磨损行为的影响。方法用多弧离子镀系统在316不锈钢上沉积TiN涂层。通过XRD测试、纳米压痕硬度测试、膜基结合力测试、电化学工作站测试、不同恒电位下磨蚀实验和涂层的磨痕截面轮廓测试,分别评价TiN涂层的相结构、硬度、结合力、电化学性能、摩擦系数、磨损率,并通过扫描电子显微镜对涂层表面形貌、截面形貌和磨痕形貌进行分析。结果在摩擦条件下,TiN涂层的开路电位随着滑动摩擦时间的增加而逐渐降低。TiN涂层在不同恒电位(-1V、-0.5 V、OCP、0 V)下滑动摩擦,平均摩擦系数分别为0.392,0.416、0.324、0.348。磨损率分别为1.8117×10-6、3.1123×10-6、4.5958×10-6、7.7724×10-6 mm3/(N·m)。在0.5 V下,涂层被磨穿。TiN涂层在人工海水环境中的主要腐蚀磨损破坏机制为磨粒磨损和疲劳点蚀。结论提高加载电位,涂层的磨损量和磨损率同步增大。在-1、-0.5 V,OCP下,由腐蚀促进磨损的损失量占TiN涂层损失总量的比重逐渐增大,依次为0%、41.78%、61.77%。在0 V时,TiN涂层产生了由磨损促进腐蚀的损失量,占TiN涂层损失总量的比例为6.1%。     

脉冲偏压占空比对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和硬度的影响

目的研究脉冲偏压占空比对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和硬度的影响规律。方法利用脉冲偏压电弧离子镀的方法,改变脉冲偏压占空比,在M2高速钢表面制备5种TiN/TiAlN多层薄膜,对比研究了薄膜的微观结构、元素成分、相结构和硬度的变化规律。结果 TiN/TiAlN多层薄膜表面出现了电弧离子镀制备薄膜的典型生长形貌,随着脉冲偏压占空比的增加,薄膜表面的大颗粒数目明显减少。此外,脉冲偏压占空比的增加还引起多层薄膜中Al/Ti原子比的降低。结论 TiN/TiAlN多层薄膜主要以(111)晶面择优取向生长,此外还含有(311),(222)和(200)晶相结构。5种多层薄膜的纳米硬度均在33GPa以上,当脉冲偏压占空比为20%时,可实现超硬薄膜的制备。