GLC/成分梯度CNx多层膜的微观结构和摩擦学性能

类金刚石碳膜通常内应力大、结合力低,而多层膜结构可提高结合力。 采用磁控溅射技术在 Si 基体上沉积不同 CNx 层厚度的 GLC/ 成分梯度 CNx 纳米多层膜。 通过扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)、Raman 光谱仪、球盘式摩擦仪、纳米压痕仪等对多层膜的表面形貌、微观结构、力学以及摩擦性能进行分析。 结果表明:多层膜表面平整光滑,CNx 层厚度为 50 nm 的多层膜有明显的层状结构。 多层膜中存在石墨相而 CNx 以微晶或非晶存在。 薄膜的 sp3 键含量、结合力、硬度等均随 CNx 层厚度的增加先增加后减小。 CNx 层厚度对多层膜的大气环境摩擦因数影响很小,但显著降低其真空环境摩擦因数。 多层膜的硬度为( 15 ~ 17. 6) GPa,大气中的磨损率为 (1. 03~ 2. 33)×10^-16 m³N^-1m^-1 ,真空中为(2. 06~ 3. 34)×10^-16 m³N^-1m^-1 。 CNx 层厚度为 20 nm 的多层膜综合性能最佳。     

NbMoWTa/Ag自润滑纳米多层膜的力学性能及摩擦学行为∗

为提高高熵合金薄膜 NbMoWTa 的耐磨减摩性能,采用磁控溅射技术在 Si 基体上制备具有不同调制波长的 NbMoWTa / Ag 纳米多层膜,利用 XRD、SEM 和 TEM 等对纳米多层膜进行表征,分析其硬度和摩擦学性能。 结果表明不同调制周期结构的纳米多层膜结晶性良好。 多层膜硬度随着单层膜厚度 (100~ 5 nm)的降低而增加(5. 62 ~ 8. 39 GPa),在单层膜厚度减小到 20 nm 时,其塑性变形机制由位错在界面处的堆积机制转变为位错穿越界面运动机制;在尺寸小于 10 nm 时,多层膜的硬度接近于高熵合金 NbMoWTa 单质膜 (10. 93 GPa),这可能由随着单层厚度的降低引起 NbMoWTa 膜与 Ag 膜之间界面由半共格向共格转变所引起。 同时,通过摩擦磨损试验获得纯 NbMoWTa 薄膜的摩擦因数为 0. 49,磨损率为 1. 75×10^-5 mm³N^-1m^-1 ;单层膜厚度为 5 nm 的多层膜的摩擦因数为 0. 23,磨损率为 2. 19×10^-5 mm³N^-1m^-1 。 在 NbMoWTa 中添加 50%的 Ag 制备而成的纳米多层膜有共格强化效应,保证了其高硬度高强度的同时,由多层设计实现了耐磨和自润滑的协同控制。     

钛及钛合金表面沉积TiCN膜层的工艺

钛材作为一种具有高附加值的材料正在逐渐进入建筑和日常生活装饰等诸多领域,为了提高钛制品的装饰性能,一般采取阳极氧化法得到色彩比较丰富的装饰色,但阳极氧化法得不到灰色和黑色,主要介绍了在钛及钛合金表面上,运用多孤离子镀膜技术沉积TiCN膜层工艺的结果。     

磁控溅射沉积Al/AlN纳米多层膜的摩擦学性能

纳米多层膜因具有优异的力学性能与抗摩擦磨损性能使其在摩擦学领域具有重要的应用价值。采用磁控溅射沉积法制备了Al、AlN单层薄膜与Al/AlN纳米多层膜,探讨了纳米多层化对薄膜的力学性能和摩擦学性能的影响。采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测量评价薄膜的纳米硬度和摩擦学性能。结果表明:Al/AlN纳米多层膜具有良好的周期调制结构,多层膜中的大量界面能显著提高薄膜的力学性能与摩擦学性能。多层膜的硬度为8.8GPa,高于采用混合法则计算出的硬度值6.6GPa;多层膜具有软质Al层和硬质AlN层的交替结构,在摩擦过程中,硬质AlN层可以起到良好的承载作用,软质层可以起到良好的减摩作用。相对于Al单层薄膜或AlN单层薄膜,Al/AlN纳米多层膜具有较低的摩擦因数(0.15)和优异的抗磨损性能。     

离子镀厚金膜过渡层的研究

通过对电弧离子镀厚金膜工艺过渡层的深入研究,得出了采用离子轰击清洗、Ni-Cu过渡层和镀膜室内热处理是离子镀厚金膜的工艺路线,通过一次装炉实现了制备Ni-Cu过渡层、沉积金膜、热处理和金膜增厚等工序一次完成。经过现场实验,摩擦副的往复运动次数在运动速度2．5m/s时超过120次,完全满足要求。     

黄铜化学着色膜层制备及表征

采用3种黄铜表面化学着色工艺,分别在黄铜表面得到了黑色、红色和银白色膜层。用SEM观察了膜层的表面形貌,用EDS对膜层进行了成分分析,用XRD对膜层进行了物相分析,并测试了着色黄铜的耐蚀性和结合力性能。实验结果表明,3种着色黄铜的耐蚀性较好,且着色膜层与基体结合良好。     

类金刚石碳膜的摩擦学性能及摩擦机制

类金刚石碳膜作为低摩擦系数的固体润滑耐磨层越来越受到重视,但其摩擦学行为强烈地依赖于试验条件和膜的本质,而膜的本质又依赖于制备工艺。本文概述了不同工艺方法制备的类金刚石碳膜的摩擦学性能,介绍了气氛、湿度、载荷及滑动速度等试验条件对其摩擦学行为的影响,对提出的不同摩擦机理进行了总结和讨论。     

非对称双极脉冲反应磁控溅射制备TiN/ZrN多层膜

采用非对称双极脉冲磁控溅射制备了一系列不同调制周期的TiN/ZrN纳米多层膜,利用X射线衍射分析(XRD)、纳米压痕仪、扫描电子显微镜(SEM)表征了薄膜的微观结构、力学性能和断口形貌.结果表明,在调制周期为30 nm时,纳米硬度达到38 GPa.     

多弧离子镀制备TiSiN涂层的结构及其摩擦学行为

为了研究Si含量对TiSiN涂层性能的影响,采用多弧离子镀技术在Ti6Al4V表面制备了不同Si含量(质量分数)的TiSiN涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电子能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)纳米压痕仪、摩擦磨损试验机表征其表面形貌、成分,力学性能及摩擦学性能。结果表明:随着靶材中Si含量的增加,涂层硬度从35GPa增加到42GPa。在TiSiN涂层中Si元素主要以Si3N4非晶态存在,形成了非晶Si3N4包裹TiN纳米晶结构。当靶材中Si含量为8%时,涂层在海水中的磨损率约为2.1×10-6 mm3/(N·m),此时涂层的摩擦性能最好。     

Preparation of TiAlN/ZrN and TiCrN/ZrN multilayers by RF magnetron sputtering

Titanium-based nitride coatings on cutting tools, press molds and dies can be used to prolong their life cycle because of their superior corrosion and oxidation resistance. TiAlN/ZrN and TiCrN/ZrN multilayer coatings were prepared by RF magnetron sputtering, and their microstructural evolution and corrosion resistance during heat treatment were investigated. The TiAlN/ZrN and TiCrN/ZrN multilayer coatings are degraded by heating up to 600 °C with the formation of oxides particles on the surface. During the heat treatment, the TiCrN/ZrN and TiAlN/ZrN multilayer coatings show the lowest corrosion current density and the highest polarization resistance at temperature range of 400–500 °C. Consequently, the TiAlN/ZrN and TiCrN/ZrN multilayer coatings show good corrosion resistance at temperature range of 400–500 °C during heating.     

Cu互连中Zr嵌入层对ZrN阻挡层热稳定性的影响

在不同的衬底偏压下,用射频反应磁控溅射的方法在Si(100)衬底和Cu膜间制备了ZrN/Zr/ZrN堆栈结构的阻挡层。研究了Zr层的插入对ZrN扩散阻挡性能的影响,结果表明:随着衬底偏压的升高,阻挡层的电阻率降低,ZrN呈(111)择优取向;Zr层的插入使ZrN阻挡层的失效温度至少提高100℃,750℃仍能有效地阻止Cu的扩散,阻挡性能提高的主要原因可能是高温退火时形成的ZrO2阻塞了Cu快速扩散的通道。     

Comparison of ZrN and TiN formed by plasma based ion implantation & deposition

ZrN and TiN films have been deposited on Si substrates without additional heating using plasma based ion implantation & deposition (PBII&D) with pulse voltage from 0 to 5 kV. High quality columnar films have been obtained in both systems with a slight nitrogen deficiency. For ZrN, a marked reduction of the growth rate was observed when depositing with pulse bias, which was not observed for TiN, caused presumably by different partial sputter yields. A transition of the texture from (111) to (200) is again present in both systems, however with the transition occurring at a different pulse bias. Hardness values of 18-20 GPa and 22-24 GPa have been observed for TiN and ZrN, respectively.     

采用中频反应磁控溅射技术沉积氮化锆薄膜

采用中频反应磁控溅射技术沉积ZrN薄膜,在真空镀膜机内对称安装了3对矩形孪生靶.利用等离子体发射光谱和质谱仪QMS200分别实时监控真空炉内靶材表面的谱线变化和各种气氛的分压强,并通过控制系统氮气流量自动调控,从而消除了靶中毒和打火现象,确保了溅射镀膜的稳定进行.通过对氮化锆膜层的显微组织观察、X射线衍射和俄歇半定量分析,沉积的氮化锆薄膜膜层致密,与基体的结合牢固.结果表明:当炉内氮气分压强为45%,控制靶电压200V,靶电流为25A,逐步调节Ar与N2比例,可获得成分均匀,膜层致密,结合力较好的金黄色氮化锆薄膜.     

Wear mechanisms of PVD ZrN coated tools in machining

Medium-frequency magnetron sputtered PVD ZrN coatings (ZrN, ZrN/Zr) were deposited on YT15 (WC + 15%TiC + 6%Co) cemented carbide. Microstructural and fundamental properties of these ZrN coatings were examined. Dry machining tests on hardened steel were carried out with these coated tools. The wear surface features were examined by scanning electron microscopy. Results showed that deposition of the PVD ZrN coatings onto the YT15 cemented carbide causes great increase in surface hardness. The ZC-1 coated tool (ZrN/YT15 without interlayer) has the highest surface hardness; while the ZC-2 (ZrN/Zr/YT15 with a Zr interlayer) shows the highest adhesion load for the coatings to the substrate. The ZrN coated tools exhibit improved rake and flank wear resistance to that of the YT15 tool. The coated tools with a Zr interlayer (ZC-2) have higher wear resistance over the one without Zr interlayer (ZC-1). The rake wear of the ZrN coated tools at low cutting speed was mainly abrasive wear; while the mechanism responsible for the rake wear at high cutting speed was determined to be adhesion. Extensive abrasive wear accompanied by small adhesive wear were found to be the predominant flank wear mechanisms for the ZrN coated tools.     

磁控溅射ZrN 薄膜厚度对其色度的影响

采用中频非平衡磁控溅射技术在镜面不锈钢板上制备了ZrN薄膜,通过改变镀膜时间控制ZrN薄膜的厚度。用色差仪测定了不同厚度ZrN薄膜的L*,a*和b*值,绘制出不同厚度ZrN薄膜的L*,a*和b*值的变化曲线图,得出膜层厚度对薄膜色度的影响规律:膜层厚度低于63.7nm时,随着膜层厚度的增加,L*和a*值无变化,b*值呈线性递增,且颜色逐渐趋于金黄色;膜层厚度高于63.7nm时,随着膜层厚度的增加,薄膜颜色坐标未有明显变化,颜色为稳定的金黄色。     

磁控溅射温度与时间对ZrN薄膜附着力的影响

采用非平衡磁控溅射技术在1Cr18Ni9Ti不锈钢上制备了ZrN薄膜。用SEM、EDS观察并分析了薄膜的表面形貌和成分,用光电轮廓仪测量了膜层厚度。并采用划格法测试不同溅射时间和温度制备的薄膜附着力大小。分析不同溅射时间和温度对薄膜附着力的影响规律。结果表明,通过调节磁控溅射时间和温度可以得到具有一定厚度,成分稳定,结构致密的ZrN薄膜,且溅射时间在1～20 min范围内时间越长薄膜附着力越大,溅射时间超过20 min,附着力趋于稳定;溅射温度在30～90℃范围内温度越高薄膜附着力越大,超过90℃溅射温度继续升高附着力减小。     

锆的难熔化合物价电子结构

根据固体与分子经验电子理论 ,通过键距差 (BLD)方法 ,对ZrC ,ZrN和ZrB2 相的价电子结构进行了计算 :ZrC ,ZrN ,ZrB2 晶体中最强键上的共价数nA 和键能E的大小与硬度、熔点的高低是一致的 ,而ZrB2 具有强的层间结合是因Zr—B键仍具有一定的共价电子数及独特键络特征的结果。