调制周期对 纳米多层膜微观结构与性能影响

使用磁控溅射仪沉积一系列不同调制周期的 TaN/TiSiN 纳米多层膜。 采用 X 射线衍射仪 (XRD)、 显微硬度计、 摩擦磨损试验机分析与表征纳米多层膜微观结构和性能, 研究调制周期对 TaN/TiSiN 纳米多层膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。 结果表明, TaN/TiSiN 纳米多层膜均为面心立方结构, 在 (111) 晶面和 (200) 晶面呈现择优取向。 当调制周期为 25nm 时, TaN/TiSiN 纳米多层膜硬度最大值为 30.9GPa, 摩擦系数与磨损量最小。TaN/TiSiN 纳米多层膜的位错穿过 TaN 层与 TiSiN 层界面时将受到多层膜界面对其施加的镜像力作用, 阻碍位错的运动, 引起薄膜的强化。     

调制周期对TaN/TiSiN纳米多层膜微观结构与性能影响

使用磁控溅射仪沉积一系列不同调制周期的TaN/TiSiN纳米多层膜。采用X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、摩擦磨损试验机分析与表征纳米多层膜微观结构和性能,研究调制周期对TaN/TiSiN纳米多层膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明,TaN/TiSiN纳米多层膜均为面心立方结构,在(111)晶面和(200)晶面呈现择优取向。当调制周期为25nm时,TaN/TiSiN纳米多层膜硬度最大值为30.9GPa,摩擦系数与磨损量最小。TaN/TiSiN纳米多层膜的位错穿过TaN层与TiSiN层界面时将受到多层膜界面对其施加的镜像力作用,阻碍位错的运动,引起薄膜的强化。     

V含量对TaVCN复合膜微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响

采用多靶磁控溅射技术,制备一系列不同V含量的TaVCN复合膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪和高温摩擦磨损仪研究该复合膜的微结构、力学性能和摩擦磨损性能。结果表明, TaVCN复合膜为面心立方和底心斜方的双相结构。随V含量增加,复合膜的硬度先升高后降低,当V原子分数为26.85%时,复合膜的硬度达到最大值,为31.7 GPa。室温下随V含量增加,复合膜的摩擦因数和磨损率均先减小后增大,V原子分数为32.60%时,摩擦因数达到最小值,为0.213;V原子分数为26.85%时,磨损率达到最小值,为2.1×10?7 mm2/N。随温度升高,复合膜的摩擦因数逐渐减小,磨损率逐渐增大。并对不同温度下 TaVCN 和 TaCN 复合膜的摩擦磨损性能进行了讨论。     

磁控溅射法制备W_(1-x)Al_xN薄膜的微结构与性能

采用磁控溅射仪制备一系列不同Al含量的W1-xAlxN薄膜,系统研究该复合膜的微结构、力学性能、高温抗氧化性能及摩擦磨损性能。结果表明,W1-xAlxN薄膜为面心立方结构,呈(200)择优生长。当Al含量(原子分数,下同)为32.4%时,复合膜中形成h-AlN相,且随Al含量增加,h-AlN含量增多。随Al含量增加,薄膜硬度先升高后降低,Al含量为32.4%时薄膜硬度最大,约为37GPa。随Al含量增加,复合膜在室温下的摩擦因数和磨损率均先减小后增大,Al含量为32.4%时达到最小值,分别为0.3和0.9×10-8mm3/(N·mm)。复合膜摩擦因数随温度升高先增大后减小,而磨损率随温度升高逐渐增大,800℃下W0.676Al0.324N薄膜的摩擦因数和磨损率分别为0.32和8.2×10-8mm3/(N·mm)。与W2N薄膜相比,W1-xAlxN薄膜的高温抗氧化性能和摩擦磨损性能显著提高。     

CrAlN/VN多层膜调制比对涂层性能的影响

为开发适用于干式切削的既硬又润滑的涂层,采用磁控溅射工艺制备调制周期厚度为20nm的CrAlN/VN多层膜结构涂层,研究不同CrAlN/VN调制比对涂层性能的影响;利用场发式电子探针(FE-EPMA)、掠入射X射线衍射分析仪(GIXRD)、场发式扫描电镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层的微观结构和化学组成;利用纳米压痕仪表征涂层的纳米硬度和弹性模量;利用Ball-on-disc磨耗试验仪表征涂层的摩擦因数。结果表明:当CrAlN/VN的调制比为1∶2时,涂层具有最高硬度(21.8GPa);涂层与碳化钨合金的摩擦因数最低为0.26。随着CrAlN/VN调制比的增大或减小,伴随着CrAlN或VN子层厚度减薄,涂层的硬度有增强的趋势;随着VN含量的增加,涂层的摩擦因数略有下降。     

W含量对Ti_(1-x)W_xN复合膜的微结构、力学性能和摩擦性能的影响

采用射频反应磁控溅射技术制备一系列不同W含量的TiWN复合膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、摩擦磨损仪等对TiWN复合膜微结构、力学性能和摩擦性能进行表征。结果表明:当W含量为10.19%时,TiWN复合膜呈fcc结构的TiWN相和Ti相双相结构;当W含量为25.42%时,复合膜中除TiWN相和Ti相,还出现了Ti2N新相;而当W含量为35.29%时,Ti相消失,W2N和β-W新相生成;当W含量增加到46.91%时,薄膜由TiWN,Ti2N,W2N和β-W相组成。随W含量的增加,薄膜硬度先升高后降低,室温摩擦因数和磨损率先减小后增大。W含量为35.29%时,硬度达到最大值,为30.67 GPa,室温摩擦因数和磨损率达到最小值,分别为0.531和3.662×10-8 mm2N-1。随温度升高,薄膜的摩擦因数先增大后减小,当温度升至800℃时,摩擦因数降至最低,为0.397。     

调制比对TiN/Ti多层膜结构和力学性能的影响

采用反应磁控溅射的方法在Ti6Al4V基板上沉积(TiN/Ti)n多层膜,交替沉积Ti层和TiN层,以通入/关闭氮气实现对TiN含量的控制.共溅射10层,每层TiN膜和Ti膜的厚度之和即调制周期不变,二者之间的厚度比即调制比分别为1∶9、1∶5、1∶3和1∶2.利用XRD、SEM分别研究了薄膜的微观结构和表面形貌,利用显微硬度仪和划痕仪测量了薄膜的硬度和膜基结合力.研究结果表明:随着调制比的增大,TiN(200)逐渐消失,出现Ti2N等新相;硬度、结合力有明显增大的趋势,与单层膜相比,多层膜的硬度和结合力最多分别增加250 HV和22 N.     

特种合金高温磨损的规律与机制

系统研究了900℃高温下,与SiC球对磨时,PTA-WC-1、HS-2、HT-3等材料的耐高温摩擦磨损性能。测量了高温摩擦磨损试验前后材料表面硬度、摩擦因数的变化;利用体视显微镜和扫描电镜(SEM)观察了磨痕形貌和深度;通过X射线能谱(EDX)分析了磨痕残留物成分。发现PTA-WC-1在硬度、磨痕深度和摩擦因数上的表现均劣于其他2种材料。其显微形貌和成分分析表明,正是高温下疏松易剥离的氧化层影响了材料的耐磨损性能。     

不同环境温度下典型身管用钢磨损性能研究

通过摩擦磨损、高温硬度及相应的分析试验研究了典型身管用钢32Cr2MoVA、30SiMn2MoVA在室温、200、400以及600℃下的摩擦磨损行为与规律.结果表明:两种材料的摩擦系数在各个温度区间内的区别不大,主要受摩擦氧化物产生与否影响.32Cr2MoVA的磨损率随着温度的提高先降低再提高之后又下降,30SiMn2MoVA的磨损率随着温度的上升而先降低,然后逐渐升高,600℃达到最高.温度、身管钢在高温下的硬度和磨盘材料与滑动销的高温硬度差(H_d-H_p)共同影响磨损表面氧化物层的最终形态.室温至200℃时,身管钢磨损行为主要受表面氧化物层的影响.室温下两种身管钢磨损机理均为黏着磨损及磨粒磨损,200℃时均为氧化轻微磨损.环境温度达到400℃以上时,身管钢以及磨盘材料的基体硬度开始影响磨损行为.400℃时两种身管钢磨损机理均为氧化严重磨损.600℃时,32Cr2MoVA的H_d-H_p减小,磨损表面出现了厚度很大、致密的氧化物层,磨损机理为氧化轻微磨损;而30SiMn2MoVA的H_d-H_p显著增大,试样发生了明显的塑性挤出,为塑性挤出磨损.      

Fe/Cu纳米多层薄膜中内应力对其力学性能的影响

利用直流磁控溅射方法制备了Fe/Cu纳米多层膜,使用扫描电子显微镜(SEM)、薄膜应力分布测试仪和纳米压痕技术研究了不同周期结构Fe/Cu纳米多层薄膜的内应力及其纳米力学性能.在Fe/Cu纳米多层薄膜中,由于铁和铜的结构和本征性能的差异,形成多层膜结构后存在张应力,其张应力在周期T=10时达到910.08 MPa,对应的纳米硬度为12.3 GPa.随着多层薄膜调制周期数T的增加而内应力逐渐降低,纳米硬度和弹性模量随着张应力缓释也出现下降.根据纳米薄膜内应力对其力学性能的影响,探讨了内应力与薄膜纳米力学性能的相关性.