Zr靶功率对(WMoTaNb)ZrxN薄膜微观组织及性能的影响

目的 提高(WMoTaNb)ZrxN薄膜的硬度与弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损及抗烧蚀性能。方法 采用反应磁控溅射技术,通过对Zr靶功率的调控,在单晶Si和M2高速钢基体上制备不同Zr含量的(WMoTaNb)ZrxN薄膜。采用FESEM对薄膜的表面及截面形貌进行观察,利用XRD对薄膜的物相组成进行分析,采用纳米压痕仪、划痕仪和摩擦磨损试验机分别对薄膜的硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行表征,通过氧–乙炔烧蚀试验对薄膜的抗烧蚀性能进行测定。结果 (WMoTaNb)ZrxN薄膜主要由FCC和BCC固溶体结构组成,Zr元素引入后,薄膜FCC(200)晶面衍射峰消失,FCC(111)与(311)晶面衍射峰强度增强。随着Zr靶功率的增加,薄膜中Zr元素含量逐渐增加,薄膜的硬度与弹性模量先增大、后减小,膜基结合力呈现不规律变化,薄膜的抗烧蚀性能逐渐提升。薄膜的摩擦系数随着Zr靶功率的增加而增大,但维持在0.65~0.95。当Zr靶功率为40 W时,制备的薄膜硬度、弹性模量及膜基结合力均达到最大,分别为27.9 GPa、291.3 GPa、84 N,此时薄膜的磨痕深度最小为227 nm。结论 Zr靶功率为40 W时制备的薄膜硬度、弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损与抗烧蚀性能最佳。     

沉积温度对NiCrAlY/Ag复合薄膜结构及性能的影响

目的改善GH4169合金的表面性能,制备摩擦学性能优良的复合薄膜。方法采用离子源辅助直流磁控溅射技术制备NiCrAlY/Ag复合薄膜,研究沉积温度分别为60、120、180℃对薄膜结构和性能的影响。利用能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)进行薄膜元素成分含量、表面形貌、截面形貌、粗糙度和相结构的检测。采用纳米压痕仪、划痕法、球-盘式摩擦磨损试验机对薄膜的硬度、结合力、摩擦磨损性能进行分析。结果 NiCrAlY/Ag复合薄膜的表面致密度、晶粒尺寸以及表面粗糙度随沉积温度的升高而增大,物相组成主要为Ni3Al、Ag和Cr,薄膜的硬度在5.67～6.41GPa之间。复合薄膜的膜/基结合力随沉积温度的增加而降低,其中沉积温度为60℃时的膜基结合力最佳(33.1N),并且在此沉积温度下的复合薄膜具有最佳的室温摩擦学性能,其平均摩擦系数为0.24,磨损率为3.52×10–5 mm3/(N·m),磨损机制为氧化磨损和磨粒磨损。结论沉积温度对NiCrAlY/Ag复合薄膜的结构性能影响显著,当沉积温度为60℃时,薄膜综合性能最好。     

MoS2-Zr复合薄膜的摩擦学性能研究

目的改善MoS_2薄膜的疏松结构,提高其硬度及摩擦磨损性能。方法采用离子源辅助磁控溅射技术在GCr15基体上沉积不同Zr含量的MoS_2-Zr复合薄膜,通过SEM分析薄膜的表面及截面形貌。采用EDS检测薄膜的成分,采用显微维氏硬度计测试薄膜的硬度,采用Rockwell-C硬度计进行压痕测试实验,采用球-盘式旋转摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能。结果 MoS_2-Zr复合薄膜的致密程度和硬度随着Zr含量的增加而增大,其硬度值为300~500HV。复合薄膜与基体的结合力随着Zr含量的增加而增强,但当Zr含量过高时,结合力下降。含Zr原子数分数为15%的MoS_2-Zr复合薄膜具有最好的摩擦学性能,其平均摩擦系数为0.09,磨损率为9.33×10~7 mm~3·N~(–1)·m~(–1),耐磨寿命达5.25×105 r。结论 Zr的掺杂改善了纯MoS_2薄膜的疏松结构,提高了MoS_2薄膜的硬度和结合力,合适的Zr掺杂可以获得较低的摩擦系数和较长的耐磨寿命。     

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。     

中频磁控溅射制备类金刚石薄膜的功率因素研究

采用SP0806AS中频磁控溅射镀膜机,在硅(100)和高速钢基体上,采用双石墨靶在不同功率下沉积了类金刚石薄膜.研究表明,在功率为5～7 kW下薄膜具有较低的ID/IG比;所得薄膜表面平整,粗糙度Ra值在1.5～2.8 nm之间,薄膜厚度随功率增加而增大;在100～200 nm Ti膜作为过渡层条件下,薄膜纳米硬度和弹性模量随功率增加呈先增大后减小趋势,硬度/杨氏模量比值先增大后减小,当功率为7 kW时具有较高值;划痕实验临界载荷随功率增加先增大后减小,最大可大于50 N;薄膜的摩擦系数较小,平均摩擦系数可小于0.15;在50 g载荷下,薄膜磨穿的时间超过300 min.确定SP0806AS中频磁控溅射镀膜机沉积类金刚石薄膜的最佳功率范围是5～7 kW.     

高功率脉冲和脉冲直流磁控共溅射CrAlN薄膜的研究

目的通过掺杂适量Al元素来固溶强化Cr N薄膜,从而提高薄膜的抗氧化性能和热稳定性。方法采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术制备了Cr Al N薄膜,利用XRD、纳米压痕仪、应力仪、摩擦磨损试验机系统地研究了不同基体偏压对CrAlN涂层结构和力学性能的影响。结果所有CrAlN涂层均以fcc-(Cr,Al)N相为主,且随着基体偏压的增加,沿(111)晶面生长的衍射峰逐渐减弱,并向小角度偏移;薄膜压应力显著增加,最大值为-2.68GPa;薄膜硬度先上升后下降,在基体偏压为-30V时,硬度达到最大值22.3 GPa;H/E值和H~3/E~(*2)值随着基体偏压的增加,近似线性增大,当偏压为-120 V时,均达最大值0.11、0.21 GPa,同时摩擦系数和磨损率逐渐减小。结论当基体偏压为-120 V时,CrAlN薄膜具有最佳的耐磨性能,H/E和H~3/E~(*2)在一定程度上可评价涂层的耐磨性。     

溅射能量对WC/a-C:H薄膜结构与性能的影响

为探究溅射能量对WC/a-C:H薄膜结构与性能的影响,并讨论WC掺杂对a-C:H薄膜的影响。通过非平衡磁控溅射+等离子体增强化学气相沉积法(UBMS+PACVD),以WC靶作为溅射靶,C_2H_2为反应气体,通过调制溅射靶电流,在316不锈钢基体上制备WC/a-C:H系列薄膜。用场发射电镜、透射电镜、X射线衍射仪、XPS、拉曼光谱等对薄膜的微观结构和成分进行表征,用划痕仪、纳米硬度仪测试了薄膜的力学性能,用多功能摩擦机对薄膜的摩擦学性能进行分析。结果表明:WC主要以β-WC_(1-x)纳米晶的形式均匀分布在非晶碳中,随着溅射靶电流的上升,薄膜中W含量和膜基结合力呈上升趋势,在11A时上升至21.9%(摩尔分数)和18.6 N,而I_D/I_G比值和硬度逐渐降低至0.55和11 GPa。溅射靶电流为4 A时,WC/a-C:H薄膜表现出较好的磨损性能,摩擦因数低至0.15,磨损率为5.38×10~(-7) mm~3/(N?m)。     

多组分缓冲层W梯度掺杂DLC复合薄膜研究

用离子束辅助非平衡中频磁控溅射技术, 在Si, 高速钢或不锈钢基体上分别沉积得到了具有多组分过渡金属层缓冲的W梯度掺杂类金刚石碳(DLC)膜, 研究了W靶电流对DLC膜组成、结构和性能的影响. 实验表明, 随着W靶电流增大, 薄膜中W掺杂量增加, W的碳化物含量增加, sp³结构含量减少; 薄膜的纳米硬度和弹性模量逐渐增大, 且材料抗塑性参数H/E随之增大; 随W靶电流增大, 材料与基体结合力增强, 划痕实验临界载荷在80-100 N之间, 材料摩擦系数增大; 但磨损率因W掺杂而明显减小, 且随W靶电流增大而减小. 样品表面元素分布均匀, 粗糙度(R_a)较小, R_a值在7.56-15.8 nm之间.     

添加Y对电弧离子镀TiAlN薄膜结构和摩擦磨损性能的影响

目的 为进一步提高电弧离子镀TiAlN薄膜的摩擦磨损性能,研究添加元素Y对CrNi3MoVA钢表面电弧离子镀TiAlN薄膜微观组织结构、硬度、弹性模量及摩擦磨损性能的影响。方法 采用Ti-50Al和Ti-49Al-2Y合金靶,利用电弧离子镀技术在CrNi3MoVA钢表面制备两种氮化物薄膜,利用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机分别测试了两种薄膜的硬度、弹性模量和摩擦系数,并用SEM、TEM、EDS、GIXRD分析了两种薄膜磨损前后的形貌、成分、相结构。结果 添加Y降低了TiAlN薄膜的晶粒尺寸,使其由柱状晶结构转变为近似等轴晶结构。TiAlYN薄膜的硬度较TiAlN薄膜提高了约25%,其弹性模量与TiAlN薄膜相近。与Si3N4对磨时,在加载载荷为20 N、往复行程为10 mm、往复速率为400 r/min的条件下,TiAlN薄膜的稳定摩擦系数为0.70~0.75,而TiAlYN薄膜的稳定摩擦系数为0.60~0.65,TiAlYN薄膜的磨损率较TiAlN薄膜的磨损率减小了约47%。TiAlN薄膜与TiAlYN薄膜的主要磨损机制均为刮擦磨损,TiAlN薄膜的失效机制主要是脆性裂纹导致的剥落。结论 添加Y对TiAlN薄膜具有明显的减摩耐磨作用,并提高了TiAlN薄膜在摩擦磨损过程中的抗开裂和抗剥落性能。     

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。     

磁控溅射MoS2-Ni复合膜的结构与性能研究

目的提高MoS_2薄膜在大气环境下的摩擦学性能。方法采用离子源复合磁控溅射技术制备了Mo S2-Ni复合膜,通过改变Ni靶功率获得不同Ni掺杂量的复合膜,研究不同Ni掺杂量对复合膜结构及摩擦学性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、洛氏硬度计、球-盘式摩擦磨损试验机以及3D轮廓仪,对复合膜显微结构和性能进行研究。结果复合膜以柱状晶结构生长,增加Ni含量可以细化晶粒,使复合膜的结构更加致密。复合膜硬度在250~446HV之间,且随Ni含量的增加,复合膜的硬度提高。复合膜具有良好的膜/基结合力,结合力达到HF1级。MoS_2-Ni复合膜的摩擦系数在0.10~0.23之间,随Ni含量的增加,虽然复合膜的摩擦系数增加,但由于磨损过程形成稳定的转移膜粘着在对磨球表面,因而使得磨损率降低,耐磨寿命提高。结论 Ni掺杂可以提高复合膜的致密度、硬度以及结合力,增强复合膜的耐磨性能。     

盐雾腐蚀条件下Ti合金表面功能薄膜的摩擦磨损性能

目的研究Ti6Al4V合金、铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜、钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜和氮化钛(TiN)薄膜,在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下的摩擦磨损性能。方法在商用Ti6Al4V合金表面通过非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜和W-DLC薄膜,通过多弧离子镀技术制备TiN薄膜。利用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪,对薄膜的形貌、硬度、干摩擦和腐蚀摩擦性能、磨痕形貌进行测试分析。结果干摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面沉积Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜的摩擦系数均比Ti6Al4V合金低;Ti6Al4V合金及其表面制备的三种薄膜在盐雾腐蚀气氛条件下的摩擦系数都比干摩擦条件下有所增加。与Ti6Al4V合金相比,Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下均减小了磨损体积。干摩擦条件下,W-DLC薄膜的磨损体积为0.0017 mm~3,耐磨性最好;盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,TiN薄膜的磨损体积为0.0028 mm~3,表现出最佳的耐腐蚀磨损性能。通过磨痕形貌可以得出,盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面制备的金属掺杂类金刚石薄膜的磨损受到磨粒磨损和腐蚀磨损双重机制的影响。结论三种表面功能薄膜在盐雾腐蚀气氛摩擦条件下都较好地保护了Ti合金,极大地减少了磨损损失。     

氮化钛铝薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

用多弧离子镀方法在高速钢的基体上沉积了不同钛铝比例的氮化钛铝薄膜，研究了不同铝含量对薄膜性能的影响，采SEM、XRD、AES、表面形貌仪、显微硬度计、划痕仪对薄膜的微观结构和力学性能进行了全面测试，用球盘试验机测试了薄膜的摩擦因数，在此基础上讨论了铝在薄膜中的作用。结果表明Al的引入使膜层的硬度明显提高。所有的(Ti，Al)N试样皆由面心立方晶格(fcc)的(Ti0．5Al0．5)N相组成。随着Al含量增加，GCr15与(TiAl)N膜层之间的摩擦因数下降，减摩性能提高，耐磨性能增强。(TiA1)N涂层可以显著提高硬质合金刀具的使用寿命。     

GNiCr40Al3Ti合金表面Cr-DLC、CrAlN和CrN薄膜在去离子水环境中的摩擦磨损性能

目的 在去离子水环境中,研究GNiCr40Al3Ti合金表面制备的铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)、氮化铬铝(CrAlN)和氮化铬(CrN)等薄膜的摩擦磨损性能。方法 在GNiCr40Al3Ti合金表面采用离子源辅助非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜,采用多弧离子镀技术制备CrAlN薄膜和CrN薄膜。利用冷场发射扫描电镜、拉曼光谱仪和X射线衍射仪,对薄膜的微观结构和形貌进行分析。利用显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪等,对薄膜的硬度、摩擦磨损性能、磨痕二维轮廓等进行研究。结果 在10 h连续的去离子水环境摩擦过程中,CrN薄膜的平均摩擦系数最低,仅为0.17,比GNiCr40Al3Ti合金的摩擦系数降低了54%。与GNiCr40Al3Ti合金相比,其表面制备的Cr-DLC、CrAlN和CrN薄膜在去离子水环境摩擦条件下都减小了磨损体积,其中,CrN薄膜表现出最好的耐磨性,磨损体积为0.017 mm³,仅为GNiCr40Al3Ti合金磨损体积的0.18%。Cr-DLC薄膜与CrAlN薄膜的耐磨性不及CrN薄膜,主要是由薄膜的微观结构造成的,Cr-DLC薄膜的柱状疏松结构造成薄膜过早的被磨穿,CrAlN薄膜中存在的Cr相引起薄膜硬度降低,从而降低了抗剪切的能力。结论 在去离子水环境中,CrN薄膜具有最低的摩擦系数和最佳的耐磨性。     

Cr/CrN/CrNC/CrC/Cr-DLC梯度膜层的研究

采用中频磁控溅射结合离子源技术沉积Cr／CrN／CrNC／CrC／Cr-DLC膜层。利用扫描电镜（SEM）、电子能谱（EDS）、Raman光谱和俄歇深层剥层分别对膜层微观形貌、成分组成、键结构及梯度成分深层分布进行分析；采用努氏显微硬度计、摩擦磨损试验机、划痕仪及洛氏硬度计测评膜层机械性能。结果表明：采用中频磁控溅射可沉积出大面积Cr／CrN／CrNC／CrC／Cr-DLC梯度膜层；Cr溅射功率对C键结构影响不大，但表层DLC中Cr的含量和膜层厚度随中频功率增大而增大；随DLC中掺Cr量增多，膜层硬度及摩擦因数略有上升；采用梯度过渡层及掺入金属Cr提高了膜层附着力，但过高的中频功率使沉积离子能量偏高，膜层压应力增加反而降低了膜层附着性能。     

CoCrMo合金表面掺金属类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用非平衡磁控溅射结合阳极型气体离子源技术在CoCrMo合金表面制备掺钨类金刚石薄膜(WDLC)和掺钛类金刚石薄膜(Ti-DLC)。利用努氏显微硬度计、结合力划痕仪、摩擦磨损试验机、表面形貌仪和洛氏硬度计表征膜层的力学性能,并用扫描电镜分析磨损形貌,探讨薄膜磨损机理。结果表明:所制备的2种薄膜均具有典型的DLC薄膜特征,W-DLC薄膜的硬度、结合力和摩擦磨损性能均优于Ti-DLC薄膜,更适合于CoCrMo合金的表面强化处理;CoCrMo合金的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,而Ti-DLC/CoCrMo和W-DLC/CoCrMo的磨损机制以滑动磨损为主伴随极少量的磨粒磨损;经DLC薄膜处理,摩擦因数从CoCrMo合金的0.578降低到0.2以下,磨损率也降低了2个数量级,大幅度地提高了CoCrMo合金的摩擦磨损性能。     

离子液体润滑下非晶碳膜的载流摩擦磨损行为

目的考察非晶碳膜(amorphous carbon film,a-C)在干摩擦和在离子液体(IL)润滑下的载流摩擦磨损行为特点。方法选取不锈钢、涂覆离子液体的不锈钢、a-C薄膜和涂覆离子液体的a-C薄膜(a-C-IL)分别与不锈钢小球对磨,在直流电流为0.2 A的条件下进行摩擦磨损测试,对比了各种试样的摩擦学行为。通过扫描电镜、表面三维轮廓仪和拉曼光谱对磨痕和磨斑进行分析表征,并讨论各种摩擦副的磨损机制。结果非晶碳膜与离子液体均能有效地降低钢-钢摩擦副在载流条件下的摩擦系数,使得稳定摩擦系数从～0.8分别降低到～0.2和～0.15。当a-C膜与IL进行复合后,进一步降低了a-C膜的载流摩擦系数(～0.1),但是a-C膜的耐磨性能降低。结论在载流摩擦磨损测试下,钢-钢摩擦副的摩擦系数大,磨损严重,伴随轻微的粘着磨损;离子液体可以明显减小摩擦副之间的粘着,降低钢-钢摩擦副的摩擦系数和磨损率。在钢基底上镀a-C薄膜,摩擦过程中a-C磨屑形成的转移膜发生了石墨化,能显著降低摩擦系数,减小磨损率。a-C-IL固液复合薄膜具有比a-C膜更低的载流摩擦系数,但其耐磨性能不如a-C膜。     

镍基涂层/碳基薄膜复合体系磨蚀行为

利用非平衡磁控溅射技术在316L不锈钢基底和316L不锈钢基底喷焊Ni60C涂层表面分别制备a-C、a-C:H、a-C:Cr3种类金刚石碳基(DLC)薄膜,对比分析了不同防护体系在5%H_2SO_4(质量分数)溶液中的耐磨蚀性能。结果表明:较单层DLC薄膜,Ni60C/DLC复合体系膜-基结合强度大幅提高,腐蚀磨损性能显著改善,其摩擦系数在0.05～0.14之间,腐蚀磨损率在0.66×10~(-8)～5.7×10~(-8) mm~3/N·m之间。Ni60C涂层作为硬质支撑层提高了薄膜的承载能力,且有效抑制了腐蚀摩擦过程中碳基(DLC)薄膜的石墨化进程,提高了Ni60C/DLC复合体系耐磨蚀性能。