不同Ti含量的W-Ti-N复合膜的微结构及性能研究

采用多靶反应磁控溅射技术制备一系列不同Ti含量的W-Ti-N复合膜。采用X射线衍射仪、扫描电镜、纳米压痕仪等检测方法对薄膜的微结构和力学性能进行表征。采用UMT-2功能摩擦试验机,在室温、大气环境、无润滑的条件下对W-Ti-N复合膜的摩擦性能进行评价,同时,探讨薄膜的致硬机理和摩擦机制。结果表明:Ti含量(原子分数,下同)为5%~23.48%时,薄膜硬度处于峰值区,硬度值最高可达39GPa,摩擦因数在0.4左右。当Ti含量高于23.48%时,硬度随着Ti含量增加而下降,摩擦因数随Ti含量的增加而升高。     

Si含量对VAlSiN涂层微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响

采用反应磁控溅射技术,在300℃下制备不同Si含量的VAlSiN涂层。研究Si含量的变化对VAlSiN涂层相结构、生长形貌、化学状态、力学性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明:不含Si的VAlN涂层呈现(111)择优取向生长。随着Si含量的增加,VAlSiN涂层的(111)择优取向逐渐消失,最终转变为非晶结构。Si含量大于1.8%(原子分数,下同)的VAlSiN涂层是由nc-VAlN和a-Si_3N_4组成的多相复合涂层。与VAlN涂层相比,添加少量Si(0.8%)的VAlSiN涂层晶粒尺寸减小,致密度得到提高,对应的涂层硬度也得到显著增大,达到30.1GPa。继续增加Si的含量,VAlSiN涂层的柱状生长结构被打断,硬度逐渐下降,最后稳定在22GPa左右。VAlSiN涂层的摩擦因数随着Si含量的增加先降低后升高。当Si含量为0.8%时涂层的磨损率最低,达1.2×10~(-16)m~3·N~(-1)·m~(-1)。     

TiSiN-Ag磁控溅射薄膜的微结构和性能

为了研究Ag元素对Ti Si N薄膜结构及性能的影响,通过磁控溅射法制备了不同Ag含量的Ti Si N-Ag薄膜,采用EDS,XRD,XPS,TEM,CSM纳米压痕仪,UMT-2摩擦磨损仪和BRUKER三维形貌仪对薄膜的成分、微结构、力学性能和摩擦磨损性能进行了研究。结果表明:Ti Si N-Ag薄膜是由面心立方Ti N相、非晶Si3N4相和面心立方单质Ag相组成,单质Ag相的存在阻碍Ti N晶粒的生长;随Ag原子分数的增加,单质Ag相增加,导致Ti Si NAg薄膜的硬度和弹性模量逐渐下降;单质Ag相具有润滑作用,使薄膜硬度降低,磨痕中的硬质颗粒减少,摩擦系数从0.70降至0.39,磨损率也逐渐降低。     

V含量对TaVN复合膜微结构、力学性能和摩擦性能的影响

采用磁控溅射仪制备了一系列不同V含量的TaVN复合膜, 利用X射线衍射仪研究复合膜以及磨痕的相组成, 利用纳米压痕仪表征复合膜的硬度, 采用高温摩擦磨损实验机研究了复合膜的室温和高温摩擦性能。结果表明: TaVN复合膜的微结构为面心立方结构, 随着V含量的增加, 衍射峰择优取向由(200)转变为(111); TaVN薄膜的显微硬度随着V含量增加, 先增加后降低, 在V含量为18.25at%时, 显微硬度达到最大值, 为32.3 GPa; 在常温下, TaVN复合膜的摩擦系数随着V含量的增加而降低; 当温度从室温升高到800℃, 薄膜的摩擦系数先升高后降低。采用晶体化学理论讨论了TaVN复合膜和TaN单层膜在高温下的摩擦机理。     

反应磁控溅射碳化钒薄膜的微结构与力学性能

在Ar、C2H2混合气氛中通过反应磁控溅射法制备了一系列不同碳含量的碳化钒薄膜,利用EDX、XRD、SEM、AFM和微力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能.研究了C2H2分压对薄膜成分、相组成、微结构以及硬度和弹性模量的影响.结果表明,采用在At-C2H2混合气体中的射频反应磁控溅射技术可以方便地合成碳化钒薄膜.但是,只有在C2H2分压为混合气体总压约4%附近很窄的范围内才可获得力学性能优异的碳化钒薄膜.其硬度和弹性模量分别达到35.5GPa和358GPa,此时,薄膜为NaCI结构的VC,且具有柱状生长的特征.随着C2H2分压的提高,薄膜形成六方结构的7-VC,并逐渐产生非晶碳相,硬度和弹性模量随之降低.     

磁控溅射W_(1-x)Ti_xN薄膜的结构与摩擦学性能研究

采用双靶反应磁控溅射的方法,通过改变基体相对于靶材的位置制备了一系列不同化学成分的W1-xTixN薄膜。用X射线衍射仪,扫描电子显微镜,能量散色谱等检测手段对薄膜的表面状态,化学成分以及结构等进行了表征,采用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机,在室温、大气环境、无润滑的条件下对不同成分WTiN薄膜的摩擦学性能进行了评价。试验结果表明:薄膜的化学成分伴随着位置的改变在W0.80Ti0.20N和W0.18Ti0.82N的范围内发生变化;在经历了800℃,1 h的退火以后不同位置制备的薄膜先后出现了TiN,TiN0.6O0.4,W2N,W等多种物相结构;随着Ti含量的增加,薄膜的纳米硬度最高可达29.8 GPa,弹性模量最高可达277.5 GPa。一系列摩擦数据显示x=0.52的薄膜在所制备的WTiN薄膜体系中拥有最佳的摩擦学性能。     

磁控溅射V-Al-Ta-N四元涂层结构和性能研究

利用磁控溅射法制备出不同成分的(VAl)_(1-x)Ta_xN涂层,用X射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜表征涂层微观结构,利用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测试了Ta含量对涂层的力学性能和摩擦磨损性能的影响。研究表明:Ta含量x≤0.31时,涂层为(111)结构,且硬度较低;当x≥0.57时,(111)结构完全消失,涂层呈现(200)择优取向,此时涂层变得较为致密,硬度和模量均得到明显提升,韧性也有显著提高。摩擦磨损实验表明Ta含量的增加能够降低涂层的摩擦系数,但同时也会增大涂层的磨损率。     

反应溅射Zr-Si-N复合膜的微结构与力学性能

在Ar、N2混合气氛中，通过双靶反应磁控溅射方法制备了一系列不同Si含量的Zr-Si-N复合薄膜，采用EDS、XRD、SEM、AFM和微力学探针表征了复合膜的成分、相组成、微结构和力学性能。结果表明：随着Si的加入，Si3N4界面相形成于ZrN晶粒表面并阻止其长大。低Si含量下，晶粒的细化使Zr-Si-N薄膜得到强化，在Si含量为6．2at％时其硬度和弹性模量分别达到最高值29．8GPa和352GPa。继续增加Si的含量，薄膜逐渐向非晶态转变，同时产生ZrxSiy相，并伴随有明显的力学性能降低。Zr-Si-N薄膜力学性能增加受到限制，可能与Si3N4界面相和ZrN晶粒之间的低润湿性有关。     

磁控溅射TiC／a—C薄膜的结构和摩擦学性能研究

采用磁控溅射法制备不同碳含量的碳化钛薄膜.采用SEM、XRD及HR-TEM等手段分析了TiC/a-C薄膜的微观组织结构,采用摩擦磨损仪和台阶仪研究了薄膜的摩擦学性能.研究结果表明,碳含量在40%～74%时,随碳含量的增加,薄膜结构由疏松变得致密,(111)择优取向逐渐转变为无明显择优取向生长.当碳含量为60%时,薄膜结构为TiC晶粒镶嵌在非晶碳基体中的纳米复合结构,此时薄膜的机械性能及耐磨性最佳.磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,通过调节薄膜中非晶碳的含量及晶粒大小并增加薄膜的硬度可改善其摩擦学性能.     

GCr15钢领基体磁控溅射类金刚石薄膜的工艺

为了提高钢领表面耐磨性,采用中频非平衡磁控溅射法在经热处理的GCr15钢领上制备了类金刚石(DLC)薄膜,并对不同磁控溅射功率、负偏压下制备的DLC薄膜进行了组织结构分析和摩擦磨损性能测试。结果表明:随着溅射功率、负偏压增加,DLC薄膜的Raman谱G峰位置和ID/IG值均整体上呈增加趋势,sp3键含量减少,石墨化程度增加;负偏压恒定为100 V时功率为8 k W以及功率恒定为5 k W时负偏压120 V,制备的DLC薄膜具有较小的摩擦系数和稳定的抗磨损性能。     

磁控溅射B4C薄膜的制备与力学性能

通过磁控溅射方法在不同基片温度下制备了B4C薄膜,利用傅立叶红外光谱、X射线衍射、透射电子显微镜表征了薄膜的微结构,并采用纳牛力学探针测量了薄膜的力学性能.结果表明,室温下制备的B4C薄膜具有很高的硬度(42.5 GPa)和杨氏模量(300 GPa),薄膜呈现非晶或纳米晶特征.随基片温度的提高,薄膜略有晶化,硬度与杨氏模量相应增加到50.4 GPa和420 GPa.     

炭纤维含量对新型陶瓷摩擦材料性能的影响

采用模压成型工艺制备了5种不同炭纤维含量的新型陶瓷摩擦材料。研究了炭纤维含量对材料的力学性能、摩擦磨损性能的影响,并利用扫描电子显微镜观察了磨损后材料的表面形貌。结果表明:随着炭纤维含量的增加,抗压强度、抗剪切强度均先增大后减小;材料耐热性好,350℃条件下无热衰退;随着炭纤维含量增加,摩擦因数减小,稳定性提高;低温下磨损率先减小后增大,高温下高炭纤维含量有利于降低磨损率的增长。     

复合磁控溅射Zr-B-N涂层微结构的控制及性能研究

采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术, 通过改变ZrB₂靶溅射功率来调节Zr-B-N涂层的成分和微结构, 系统研究了ZrB₂靶功率对涂层成分、微观结构和性能的影响。研究结果表明:随着ZrB₂靶功率的增加, Zr-B-N涂层形成了以非晶a-BN包裹着纳米晶的纳米复合结构;涂层的硬度由36.76下降到16.1 GPa;当ZrB₂靶溅射功率为0.4和0.6 kW时, 表征膜/基结合强度的临界载荷分别达到最小值29.28和最大值43.85 N。摩擦系数和磨损率具有相同的变化趋势, 均随ZrB₂靶溅射功率的增加先增大后减小, 当ZrB₂靶溅射功率为0.8 kW时, Zr-B-N涂层摩擦系数较低, 抗磨损能力亦最强。     

活塞环表面MoS2薄膜在干摩擦和贫油润滑条件下的摩擦学性能研究

大功率、长冲程和高爆发压柴油机是交通运输、工程机械、国防装备和核电应急发电机领域的重要动力设备。柴油机关键运动副活塞环-缸套在冷/热启动时,缸套的上下止点位置处于干摩擦或贫油润滑状态,易发生局部异常磨损导致动力性能丧失。为抑制活塞环-缸套运动副的异常磨损,采用磁控溅射技术在活塞环表面制备了MoS₂薄膜;利用SRV-IV微动摩擦磨损试验机模拟柴油机频繁冷/热启动工况,评价了表面附加MoS₂薄膜的活塞环与缸套摩擦副的摩擦学性能;利用扫描电镜(SEM)表征了MoS₂薄膜微观结构和摩擦前后摩擦副的表面形貌。结果表明：相比于原始CKS活塞环-缸套,MoS₂薄膜活塞环-缸套在干摩擦条件下的摩擦系数从1.07大幅降低至0.11,缸套磨损率从8.61×10^-6 mm³/(N·m)降低至3.71×10^-8 mm³/(N·m);在常温贫油条件下摩擦系数从0.18降低至0.11,磨损率从1.43×10^-7 mm<...     

磁控溅射B4C薄膜的制备与力学性能

通过磁控溅射方法在不同基片温度下制备了B4C薄膜 ,利用傅立叶红外光谱、X射线衍射、透射电子显微镜表征了薄膜的微结构 ,并采用纳牛力学探针测量了薄膜的力学性能。结果表明 ,室温下制备的B4C薄膜具有很高的硬度 ( 4 2 5GPa)和杨氏模量 ( 3 0 0GPa) ,薄膜呈现非晶或纳米晶特征。随基片温度的提高 ,薄膜略有晶化 ,硬度与杨氏模量相应增加到5 0 4GPa和 4 2 0GPa。     

Ag含量对CrN/Ag薄膜微结构、力学及摩擦磨损性能的影响

通过反应磁控溅射法分别沉积了不同Ag含量(Ag/(Ag+Cr)=2.9~21.2%(原子比))的CrN/Ag复合膜,采用能谱仪、X射线衍射仪、纳米压痕仪、扫描电镜、摩擦磨损仪等研究了CrN/Ag复合膜的化学成份、微观结构、力学性能及摩擦磨损性能。结果表明:CrN/Ag薄膜为面心立方结构,由fcc-CrN及fcc-Ag构成。薄膜晶粒尺寸随Ag含量的升高逐渐降低。薄膜硬度随Ag含量的升高先升高后降低,当Ag含量为8.3%时,薄膜硬度最高,其最高值为23 GPa。薄膜硬度受细晶强化与软质Ag相的共同作用。CrN/Ag薄膜平均摩擦系数及磨损率随Ag含量的升高先降低后升高,当Ag含量为8.3%时,薄膜平均摩擦系数与磨损率最小,其最小值分别为0.50和0.68×10~(-8)mm~3。/N·mm。薄膜平均摩擦系数及磨损率主要受低剪切强度Ag含量和H/E值的影响。     

磁控溅射MoS2/W复合薄膜的微结构与摩擦学性能研究

采用磁控溅射法,用纯MoS2/W双靶在模具钢Cr12和硅基片上溅射MoS2/W复合纳米薄膜,通过X射线衍射仪、能谱仪、扫描电子显微镜对薄膜的成分和结构进行分析.采用UMT-2型微摩擦磨损试验机在大气(相对湿度30％～ 45％)和室温(20～25℃)环境下评价薄膜的摩擦磨损性能.结果表明:MoS2/W复合薄膜组织致密,主要生长晶向为(002)晶向,摩擦因数低,摩擦学性能优于纯MoS2膜,且耐磨寿命高、摩擦稳定性好、承载能力大.     

磁控溅射法制备Zn_(1-x)Fe_xO薄膜的微结构及铁磁性研究

采用射频磁控溅射法在Si衬底上制备了Zn1-xFexO(x=1.0%,3.0%,5.0%)薄膜样品,并利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对其微结构、表面形貌和化学成分及价态进行分析,结果表明,Zn1-xFexO(x=1.0%,3.0%,5.0%)薄膜晶体结构为c轴择优生长的六角纤锌矿结构,Fe在晶体中以二价和三价两种价态存在。利用振动样品强磁计(VSM)对样品的铁磁性进行测试,薄膜样品在室温下具有明显的铁磁性,并经分析认为铁磁性来源可能是磁性离子与空位缺陷形成束缚磁极子引起的结果。     

靶成分和溅射参数对碳化钒薄膜微结构与力学性能的影响

为了提高碳化物靶溅射薄膜的结晶程度和相应的力学性能, 采用等化学计量比的VC靶(n(C):n(V)=1:1)和富V的VC靶(n(C):n(V)=0.75:1)通过磁控溅射方法制备了一系列VC薄膜, 利用EDS、XRD、SEM和微力学探针研究了靶成分、溅射气压和基片温度对薄膜化学成分、微结构和力学性能的影响. 结果表明, 对于等化学计量比的VC靶, 在Ar气压为2.4~3.2 Pa的范围内可获得结晶程度和硬度较高的VC薄膜, 其最高硬度为28 GPa. 而采用富V的VC靶时, 在较低的Ar气压(0.6~1.8 Pa)下就可获得结晶程度高的VC薄膜, 其硬度达到31.4 GPa. 可见, 相对于溅射参数的Ar气压和基片温度, 靶的成分对于所获薄膜的成分、微结构和力学性能影响更显著, 因而适当提高靶中金属组分的含量是获得结晶良好且具高硬度的VC薄膜更为有效的途径.     

工况参数对类金刚石膜摩擦学性能的影响

采用非平衡磁控溅射技术在高速钢基体上以C2H2为反应气源制备了含氢类金刚石(DLC)膜.使用激光拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪和原子力显微镜分析和观察了DLC膜的微观结构及表面形貌,结果表明:DLC膜表面由纳米级别的圆形颗粒堆积而成,其结构呈现出DLC的典型Raman光谱特征,薄膜中的碳元素主要以sp2C键、sp3C键和C-O键的形式存在.以G Cr15钢球为摩擦配副,在球盘式摩擦磨损试验机上考察了DLC膜在大气干摩擦条件下的摩擦学性能.实验结果发现:在摩擦初始阶段,DLC膜的摩擦系数从实验开始到达峰值的时间随着载荷和速度的增大都是减少的;而在摩擦稳定阶段,DLC膜的平均摩擦系数随着载荷和速度的增大先减小后增大;速度对DLC膜摩擦系数的影响比载荷更加显著.用扫描电子显微镜观察了磨痕形貌并分析了磨损机理:DLC膜的磨损特征主要为以犁沟现象为主的粘着磨损.随着速度的增加,磨痕表面犁沟现象变弱;而随着载荷的增加,磨损表面的犁沟现象变明显.