偏压对掺钨含氢类金刚石碳膜摩擦学性能的影响

利用非平衡磁控溅射技术在单晶硅片及9Cr18基体表面制备不同偏压下的掺钨含氢类金刚石碳膜。采用Ra-man光谱分析薄膜结构,采用纳米硬度测试仪和纳米划痕仪研究薄膜的纳米硬度、弹性模量和膜基附着力,在球-盘摩擦试验机上测试薄膜在大气环境中的摩擦学性能,研究薄膜的摩擦学性能与偏压的关系。结果表明:制备的薄膜样品均具有典型的类金刚石碳膜结构;基体偏压强烈影响薄膜的力学和摩擦学性能,薄膜硬度和弹性模量在0～150 V范围内随着偏压增加而增大,薄膜的摩擦因数在偏压为100 V时最小,在此参数下的耐磨寿命也最长。     

工件台偏压对非平衡磁控溅射沉积MoS_2-Ti薄膜的结构与性能影响

采用非平衡磁控溅射技术制备MoS2-Ti薄膜,研究工件台偏压对薄膜结构和性能的影响。利用XRF和XRD分析薄膜的成分和晶相结构,用CSM薄膜综合性能测试仪测试薄膜的厚度、硬度以及膜与基体的结合力,采用球-盘摩擦磨损试验机评价薄膜在真空环境下的摩擦学性能。结果表明:MoS2-Ti薄膜具有明显的(002)优势取向,薄膜中S、Mo原子比及膜厚随偏压的增加而减小,薄膜硬度及膜-基体附着力随偏压的增加而增大,薄膜在真空环境中的平均摩擦因数为0.02,受偏压影响不明显,薄膜寿命受偏压影响明显,当偏压在-100 V内变化时薄膜具有较长的寿命且随偏压的增加而增长,偏压继续增大薄膜耐磨寿命下降明显,当偏压为-200 V时薄膜不具备润滑性能。     

脉冲偏压对PECVD制备DLC薄膜的结构及性能的影响

在不锈钢基材表面利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)改变脉冲偏压制备不同结构类金刚石薄膜(DLC)。分别采用表面轮廓仪、扫描电镜、拉曼光谱及电子探针分析薄膜的表面粗糙度、断面形貌、薄膜结构及成分,采用纳米压痕仪及划痕仪测试薄膜的纳米硬度、弹性模量和膜基结合力,采用球盘摩擦试验机测试薄膜在大气环境中的摩擦学性能。结果表明:脉冲偏压显著影响PECVD制备的DLC薄膜的表面粗糙度、微观形貌、膜基结合力、纳米硬度及摩擦学性能;随偏压的增大,DLC薄膜的表面粗糙度,摩擦因数及磨损量都先减小后增大,而膜基结合力则先增大后减小。其中2.0 k V偏压制备的DLC薄膜具有最强的膜基结合力,而1.6 k V偏压制备的DLC薄膜具有最低的表面粗糙度、最高的硬度和最优的减摩耐磨性能。     

电参数对CrN薄膜在去离子水环境下摩擦磨损性能的影响

采用多弧离子镀方法,在不同偏压和靶电流下在GH05合金试样表面制备系列CrN薄膜,利用扫描电子电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、多功能材料表面试验仪对薄膜的微观组织结构和力学性能进行测试分析。利用盐雾磨损试验机的球-盘摩擦方式研究各CrN薄膜在去离子水环境下与Si₃N₄球对磨的摩擦学性能。结果表明:随着偏压增大,CrN薄膜表面微颗粒大小逐渐减小,硬度增大,结合力先增大后减小,随着靶电流增大,CrN薄膜表面凹坑逐渐减小,硬度减小,结合力先增大后减小;随着偏压增大,CrN薄膜的平均摩擦因数先增大后减小,磨损体积先减小后增大,随着靶电流增大,CrN薄膜的平均摩擦因数先减小后增大,磨损体积先减小后增大,当偏压为-80 V,靶电流为100 A时制备的CrN薄膜在去离子水环境下具有最佳的摩擦学性能;CrN薄膜在去离子水环境下的磨痕形貌主要呈现磨粒磨损的沟槽形貌,同时表现出抛光效果。     

脉冲负偏压幅值对复合离子镀制备TiCN薄膜结构和性能的影响

采用复合离子镀技术,在不同脉冲负偏压幅值下于304不锈钢表面制备TiCN薄膜,研究了负偏压幅值对薄膜成分、结构、表面粗糙度、显微硬度及摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着负偏压幅值升高,钛、碳与氮元素的原子比以及碳与钛元素的原子比先增大后减小,薄膜表面的颗粒及针孔、凹坑等缺陷尺寸减小,数量减少,表面形貌得到改善;薄膜主要由TiCN相组成,随着负偏压幅值增大出现(111)晶面择优取向,且薄膜的显微硬度先增大后减小,并在负偏压幅值为300V时达到最大,为2 690HV;薄膜的摩擦磨损性能优于基体的,随着负偏压幅值增加,薄膜的摩擦因数不断降低,在负偏压幅值为300V时约为0.355,此时薄膜的摩擦磨损性能最优。     

基体偏压对CrN涂层结构和海水环境摩擦学性能的影响

采用多弧离子镀技术,在不同偏压(0~-100 V)下在316 L不锈钢基体上沉积CrN涂层,通过球-平面往复式摩擦磨损试验机研究基体偏压对涂层结构和海水环境下摩擦学性能的影响。结果表明:随着偏压的增大,涂层结构变为更加致密,涂层硬度先增加后基本稳定;随着偏压的增大,涂层与316L基体的结合力先增大后减小,偏压为-50~-75 V时涂层有最好的结合力;在海水环境下,涂层具有很低的摩擦因数(0.2~0.3),并随着偏压升高而降低;随着偏压的增大涂层的磨损率先减小后增大,偏压为-50~-75 V时涂层的磨损率较低。偏压为-50~-75 V时制备的涂层具有最好的综合机械性能。     

氮含量对BCN薄膜力学和摩擦学性能的影响

为获得能在较宽温度范围内工作的BCN薄膜，采用闭合场非平衡磁控溅射法制备出非晶态的BCN薄膜和BC_x薄膜，通过调控N₂流量研究氮含量对薄膜摩擦学和力学性能的影响。结果表明：BCN薄膜的硬度和弹性模量随着N₂流量的增加而降低；在室温至600℃较宽温度范围内，N₂流量小于20 sccm时制备的BCN薄膜具有更平稳的摩擦因数和低的磨损率，具有比BC_x薄膜更好的摩擦学性能。随着N元素的掺杂，BCN薄膜的力学性能降低，但摩擦学性能明显提高，因此通过改变氮含量实现BCN薄膜力学和摩擦学性能合理调控，BCN薄膜有望实现较宽温度范围内的减摩润滑作用。     

靶功率对射频磁控溅射制备MoS_2-Sb_2O_3复合薄膜结构和性能的影响

采用射频磁控溅射技术制备MoS2-Sb2O3复合薄膜,研究靶功率对薄膜性能和结构的影响。利用XRD、XRF分析薄膜的成分和结构,用CSM薄膜综合性能仪测试薄膜的硬度及附着力,通过承载力试验测试薄膜的承载性能,使用真空球-盘摩擦试验机测试真空和大气下薄膜的摩擦因数及耐磨寿命。结果表明:使用射频磁控溅射制备的MoS2-Sb2O3复合薄膜具有准非晶结构,其薄膜结构和成分受沉积时的靶功率影响;MoS2-Sb2O3复合薄膜在真空下具有比大气下更稳定的摩擦学性能,更长的耐磨寿命;提高溅射原子能量能有效地提高MoS2-Sb2O3复合薄膜的承载性能,减少薄膜的内应力,提高薄膜的附着力,提高薄膜的耐磨寿命。     

脉冲磁过滤阴极弧技术制备类金刚石薄膜研究

介绍了弯曲电弧磁过滤设备,并利用脉冲磁过滤阴极真空电弧沉积技术,在高速钢基体上制备了DLC膜.对制得的DLC薄膜表面形貌、Raman光谱及纳米硬度和弹性模量等进行了测试.结果表明,脉冲磁过滤阴极电弧法制备的DLC膜具有优良的性能.拉曼光谱分析显示,制得的薄膜为非晶结构,具有明显的sp2和sp3键杂化结构,符合DLC膜的特征,基体负偏压为50 V时,沉积的DLC膜Raman光谱的ID/IG值最小,sp3键含量最高,纳米硬度和弹性模量值达到最高,分别为29.94 GPa和333.9 GPa.     

纳米结构碳基薄膜的制备及性能研究

利用单极脉冲等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上沉积含氢碳薄膜,用高分辨透射电子显微镜和激光拉曼光谱仪研究薄膜的微观结构,用X射线光电子能谱分析薄膜的化学键状态,并用纳米压痕仪测定薄膜的硬度和弹性模量,在CSM往复式摩擦磨损试验机上考察薄膜的摩擦学性能。结果表明:在单极脉冲等离子体增强化学气相沉积系统上成功制备出在非晶基体上镶嵌弯曲类富勒烯纳米结构的含氢碳薄膜,其独特的类富勒烯纳米结构赋予薄膜良好的力学性能,其弹性恢复系数和硬度分别高达86%和26.37 GPa;与非晶结构薄膜相比,制备的纳米结构含氢碳薄膜在室温环境下摩擦学性能更为优异,在机械摩擦表面具有广阔的应用前景。     

基体偏压对Cr/DLC薄膜结构及力学性能的影响

采用高功率脉冲磁控溅射方法在不同基体偏压下的钢基体上沉积含Cr过渡层的DLC薄膜.利用原子力显微镜、场发射扫描电镜、Raman光谱、动态超显微硬度计和划痕仪对薄膜的表面形貌、截面形貌、结构成分、力学性能进行表征.结果表明:随着基体偏压的增大,薄膜表面更加平整,表面粗糙度减小;不同基体偏压下制备的DLC薄膜与基体结合良好...     

MoSx/MoSx-Mo纳米多层膜的制备及其环境摩擦学特性

用直流磁控溅射在钢基体上交替溅射制备了MoSx/MoSx-Mo纳米多层膜。采用划痕仪测试薄膜与基体的结合力;采用SEM和XRD分析了纳米多层膜的形貌和显微结构;在球-盘式微摩擦试验机上测试了纳米多层膜在真空和潮湿空气中的摩擦学性能。结果表明,纳米多层膜的结合力优于纯MoS2膜。随着溅射沉积气压的升高,MoSx(002)面择优取向减弱,纳米多层膜的结合力下降。溅射气压0.24 Pa沉积的纳米多层膜在真空和潮湿空气中都呈现出最低的摩擦因数和磨损率,具有优异的环境摩擦磨损特性。     

基体偏压对磁控溅射制备CrAlN纳米多层薄膜微观结构和力学性能的影响

采用磁控溅射技术在不同基体偏压(-60,-70,-80,-90 V)下制备了CrAlN纳米多层薄膜,研究了基体偏压对薄膜微观结构和力学性能的影响.结果表明:随着基体偏压绝对值增大,CrAlN纳米多层薄膜中的氮含量增加,物相组成不变,择优取向由CrN(111)晶面转变为CrN(200)晶面,薄膜表面孔隙减少,组织致密性得...     

不同介质下CrN_X薄膜的摩擦学特性研究

采用电弧离子镀技术在45#钢衬底表面沉积了CrNX薄膜.用显微硬度计测试了薄膜的硬度,用X射线衍射仪分析了薄膜的相结构,用球-盘式摩擦磨损试验机评价了在不同介质条件下(干摩擦、水润滑、油润滑)CrNX薄膜的摩擦学性能,用表面轮廓仪测试了磨痕处的磨痕轮廓,用扫描电镜(SEM)观察了薄膜磨痕形貌.结果表明,相对于干摩擦,水润滑和油润滑条件下,CrNX薄膜的摩擦因数和磨痕深度都有明显降低的趋势.干摩擦条件下薄膜主要表现为磨粒磨损;水润滑条件下,主要表现为腐蚀磨损;油润滑条件下由于油膜在两摩擦表面的吸附,薄膜几乎无磨损.     

Microstructure Evolution and Enhanced Tribological Properties of Cu-Doped WS2 Films

To improve the tribological properties of WS₂ film both in vacuum and in humid air conditions, its microstructure was optimized by doping different concentrations of Cu via radio frequency co-sputtering method. The film microstructure and composition were investigated by field emission scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, grazing incidence X-ray diffraction and high-resolution transmission electron microscopy. It was verified that Cu was presented in amorphous phase in the WS₂ matrix and could also induce amorphization and densification of the composite films gradually. The film microstructure changed from coarse columnar platelet structure at low Cu content (0–5.8 at.%) to transition structure with two separate layers at increased Cu content (11.5–16.2 at.%) and to a featureless structure at high Cu content (above 24.4 at.%). The mechanical and tribological properties of films were evaluated using the scratch tester and ball-on-disk tribometer, respectively. It was found that the incorporation of a suitable content of Cu dopant could significantly improve the film toughness, but excess amount of Cu dopant lead to high brittleness. All the composite films exhibited much lower wear rate and longer wear life than those of pure WS₂ film both in vacuum and in humid air conditions. The wear mechanisms were proposed after correlating the mechanical performance with film microstructure.     

V含量对TaVN薄膜微观结构与摩擦学性能的影响*

为探讨V元素改善TaN薄膜摩擦学性能的机制,利用磁控溅射仪在304不锈钢基体上和单晶Si片制备不同V含量的 TaVN薄膜。使用X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度计、表面综合性能测试仪表征和分析薄膜的结构及性能。结果表明：TaVN 薄膜为面心立方结构,不同V含量的TaVN薄膜均在（111）晶面呈现择优取向;随着V含量的增加,TaVN 薄膜（111）晶面出现向大角度偏移的现象;不同V含量的TaVN 薄膜在扫描电子显微镜下的表面光滑平整无孔隙,膜层与基体间界面清晰,截面呈明显的柱状晶结构;随着V含量的增加,TaVN 薄膜硬度先升高后降低,当TaV靶材中V原子分数为15%时,硬度最高;随着V含量的增加,摩擦因数降低,其原因是在摩擦的过程中,薄膜中的V元素氧化形成具有自润滑效果的Magnéli 相氧化物V2O5;随着V含量的增加,TaVN 薄膜磨损机制由磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损转变为磨粒磨损和氧化磨损。     

Stress distribution of coated film with a range of coated film thickness and elastic properties under a single EHL operating condition

In recent years, the techniques improving sliding performances have progressed by using coated films possessing superior tribological properties, to reduce the failures of the mechanical elements. Those techniques are often used under severe conditions such as elastohydrodynamic lubrication (EHL). In this paper, numerical three-dimensional analysis of the maximum shear stress applied into the coated film and substrate under a single EHL operating condition was performed with a range of coated film thickness and elastic properties. The strength of coated film as one of those techniques was evaluated numerically, resulting in an optimum design of coated film. As a result, coated films with a larger value of thickness and a smaller modulus of elasticity than that of substrate are preferable.     

Carbon coating of Ti-6Al-4V for reduced wear in combined impact and sliding applications

A range of carbon coatings with different hardness and modulus was compared for wear and frictional behaviours using one-side-carbon-coated Ti-6Al-4V alloy couples tested under conditions of combined impact and sliding contact. Carbon films with hardness over 10 GPa were found to cause far greater volume loss of the uncoated counterpart, and the volume loss was approximately proportional to the extent of hardness deviation above 10 GPa. The coefficient of friction was shown to correlate positively with coating hardness. The tendency of a softer coating to possess a greater sp² or graphite-like content provides more effective solid lubrication in a wet environment, hence minimising both wear and friction. The corresponding low film modulus also provides an optimal structural integrity of the composite system by minimising the elastic modulus mismatch between the film and the underlying substrate.