掺铬类石墨碳膜的显微组织与摩擦性能

采用非平衡磁控溅射离子镀技术在不同衬底上制备了不同铬含量的掺铬类石墨非晶碳膜;用X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和拉曼光谱仪等分析了碳膜的成分、表面形貌、显微组织和碳键结构;通过销-盘摩擦试验机测试了碳膜在干摩擦及不同润滑条件下的摩擦因数。结果表明:适量掺铬碳膜可保持纯碳膜均一、无结晶的显微组织;掺铬对碳膜中碳元素的价键结构产生了重要影响,随着铬含量的增大,sp~2碳原子在碳膜中的含量先增大后减小,使得掺铬碳膜的sp~2碳含量比纯碳膜的更高;适量掺铬能有效降低碳膜的摩擦因数,而掺铬碳膜的摩擦因数随着铬含量增大的变化趋势与碳膜的碳键结构变化明显相关。     

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。     

类金刚石碳膜的结合性能评估和本征硬度测量

采用压痕试验法在超显微硬度仪上对不同基体材料上类金刚石碳膜的结合性能进行了评估，并对类金刚石碳膜的本征硬度进行了测量。结果表明，临界载荷Ｐｃｒ，抗裂性指标ｄＰ／ｄＸ是评估膜基结合性能的两个有用参数，可用来评定膜基结合性能。硅基体上类金刚石碳膜的硬度达２７ＧＰａ，硬质合金基体上类金刚石碳膜的硬度达２０ＧＰａ。     

ECR-CVD制备类金刚石碳膜的正交实验法研究

采用系统的正交实验法对ECR-CVD法沉积类金刚石碳膜(DLC)的优化工艺进行研究,并分析不同工艺参数对DLC膜性能的影响.共选择基片温度、H2流量、微波功率、直流偏压、脉冲偏压以及脉冲偏压占空比6个参数建立起6因素5水平的正交表,分别以薄膜摩擦因数、磨损率、显微硬度、拉曼谱中D峰与G峰的面积比ID/IG作为考察对象进行研究.极差分析表明,对不同的考察因素其优化工艺略有区别.在所选的参数范围内,脉冲偏压对所测量的DLC膜的性能影响最大.     

基片偏压对ta C薄膜结构和摩擦因数的影响

利用磁过滤阴极电弧技术,通过改变基片负偏压(0~500 V)制备四面体非晶碳(ta C)薄膜,研究基片负偏压对ta C薄膜结构和摩擦因数的影响.研究表明,基片负偏压对ta C薄膜的sp3键含量有很大影响,当负偏压为200 V时,ta C薄膜的sp3键含量为85%.在0~200 V范围内随着基片偏压的增大,表面粗糙度逐渐减小,在负偏压为200 V时,薄膜表面粗糙度最小,为0.18 nm左右;当负偏压超过200 V后,由于薄膜中石墨相增多,薄膜表面粗糙度将增大.随着基片偏压的逐渐增大,由于薄膜表面粗糙度的减小和在摩擦中石墨相自润滑层的形成,薄膜的摩擦因数大大降低,耐磨性提高.     

乏油环境下不同掺杂GLC膜的摩擦学行为

利用磁控溅射技术制备了类石墨碳膜(GLC)、掺杂金属Cr的类石墨碳膜(GLC/Cr)及掺杂WC的类石墨碳膜（GLC/WC）,考察了不同掺杂物对薄膜结构及其在乏油环境下摩擦学性能的影响。结果表明：掺杂Cr、WC使GLC薄膜中sp2键结构含量增加,促进了GLC膜的石墨化,降低了GLC薄膜的硬度及弹性模量;在乏油环境下,3种薄膜的摩擦因数相差不大,但表现出不同的抗磨损能力,其磨损寿命由高到低依次是GLC/Cr、GLC、GLC/WC。研究结果为提高航空发动机主轴轴承在超常工况下的寿命和可靠性提供了理论和试验依据。     

偏压对TiBN纳米复合涂层结构及力学性能的影响

采用多弧离子镀技术,在单晶硅和硬质合金衬底上制备Ti-B-N涂层,使用XRD,SEM,硬度计和划痕仪系统研究了偏压对TiBN涂层结构、表面形貌、硬度和附着力的影响。在不同的基体偏压下,涂层表现了(111)面择优生长。-100 V偏压时沉积的TiBN涂层表面最平滑。随着基体偏压升高,TiBN涂层硬度逐渐增大,膜基结合力逐渐减小。-200 V制备的TiBN涂层硬度最大3600 HV,-50 V制备的TiBN涂层膜基结合力接近40 N。     

沉积温度对类金刚石涂层表面形貌和性能的影响

采用直流等离子体增强化学气相沉积(DC-PECVD)技术,在不同温度下于YG8硬质合金基体上沉积了类金刚石(DLC)涂层,探讨了沉积温度对DLC涂层结构、表面形貌、厚度、显微硬度、耐磨损性能以及界面结合性能的影响。结果表明:随着沉积温度的升高,DLC涂层中sp3键的比例呈先增大后减小的趋势,并在160℃达到最大,为69%;沉积温度过高将导致DLC涂层出现石墨化;DLC涂层的厚度、显微硬度、耐磨损性能、界面结合力均随沉积温度的升高呈先增大后减小的趋势,当沉积温度为160℃时,涂层表面平整光滑、致密,此时涂层的厚度、显微硬度和界面结合力均达到最大,分别为3.2μm、2 395HV和63N;DLC涂层的显微硬度、抗磨损能力、厚度和界面结合强度随沉积温度的变化规律与sp3键含量密切相关。     

基体负偏压对CrAlN涂层组织和性能的影响

采用真空多弧离子镀技术,使用Cr30Al70(原子分数)复合靶,在不同的基体负偏压下,在不锈钢基体上制备了一系列CrAlN涂层;采用能谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、粗糙度仪、显微硬度仪、摩擦磨损试验机和划痕仪等系统分析了涂层的成分、表面形貌、相结构、粗糙度、显微硬度、摩擦磨损性能和界面结合性能。结果表明:随着负偏压的增大,涂层中x(Cr)/x(Cr+Al)的比值先增大后减小,当负偏压为150V时,该值达到最大,并与靶材成分接近;基体负偏压为200V时,涂层的表面粗糙度最大,涂层结晶度、硬度最佳,晶体相为固溶铬的面心立方AlN;涂层的摩擦磨损性能不仅与涂层的表面粗糙度相关,还与涂层非晶相中铝元素的含量以及涂层的内应力大小密切相关;界面过渡层制备工艺相同时,基体偏压对涂层和基体之间的界面结合性能影响较小。     

高速钢表面镀覆DLC膜的结构及其摩擦特性研究

以高纯石墨作靶材、N2/Ar为工作气体,采用非平衡磁控溅射技术在高速钢上制备了光滑、致密、均匀的掺氮DLC膜。用XPS、Raman光谱仪表征了DLC膜的结构,并在球-盘摩擦试验机上研究了其摩擦特性。结果表明:工作气体中的N2比例对DLC膜结构及其摩擦特性影响较大,随着N2比例的增加薄膜中sp3的比例减少,而sp2和碳氮键的比例增加;随着N2比例的增加,薄膜摩擦因数先减后增,这与薄膜中sp3比例下降和sp2比例增加而导致薄膜的硬度以及内应力变化有关。就本试验而言,工作气体中N2比例不应高于20%。     

非平衡线圈电流对掺钨含氢类金刚石碳膜力学和摩擦学性能的影响

利用非平衡磁控溅射技术在单晶硅片及9Cr18不锈钢基体表面制备不同非平衡线圈电流下的掺钨含氢类金刚石碳膜。采用Raman光谱以及红外光谱分析薄膜结构,采用纳米硬度测试仪和纳米划痕仪研究薄膜的纳米硬度和膜基附着力,在球-盘摩擦磨损试验机上测试薄膜的摩擦学性能。结果表明:制备的薄膜样品具有典型的类金刚石碳膜结构,薄膜中含氢量较高;非平衡线圈电流对等离子体的限制条件影响着薄膜的力学和摩擦学性能,薄膜硬度和弹性模量随着非平衡线圈电流增加而增大,薄膜的摩擦因数在非平衡线圈电流增加到最大值8 A时达到最小值0.118,在此参数下的耐磨寿命也最长。     

异种钢窄间隙焊母材熔合比对碳迁移现象影响研究

异种钢窄间隙焊焊接接头两侧材料成分存在差异,在9%Cr侧熔合区内发生碳迁移现象。实际异种钢高温构件贫碳层内出现完全铁素体化组织,硬度极低,给焊接接头各项力学性能带来不良影响。设计不同焊道分布形式的异种钢堆焊试板,探究碳迁移程度及贫碳区内铁素体组织产生的影响因素。通过对不同热处理过程试样的金相观察发现,碳迁移主要在回火过程中产生。利用金相观察、显微硬度测试及电子探针成分测试等研究手段,比较焊道不同熔合比状态下的碳迁移现象。三层焊道堆焊试样的焊道交汇处碳迁移现象严重,在贫碳区内出现了完全铁素体化组织,硬度显著降低。电子探针测试结果表明,该位置母材熔合比较低,熔合线两侧铬元素质量分数差异明显导致碳元素活度梯度增加,因此碳迁移现象严重,对异种钢焊接接头的各项力学性能带来不良影响。     

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。     

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。     

电子束扫描制备铁-铬-碳合金层热处理前后组织与硬度的变化

以铁、铬、碳粉为原料,将其混合后涂覆在低碳钢基材表面,采用真空电子束扫描方式制备了铁-铬-碳合金层,并对其进行了800℃×2.5 h热处理;采用光学显微镜、XRD衍射仪、扫描电镜以及显微硬度计对表面合金层热处理前后的物相组成、显微组织和硬度进行分析。结果表明:热处理使表面合金层中的韧性相基体由奥氏体转变为铁素体,并析出二次碳化物;热处理后表面合金层中的碳化物颗粒尺寸减小,呈弥散化分布;热处理后表面合金层的硬度略有减小,但硬度分布更加均匀。     

离子束辅助轰击下低能碳离子注入

材料表面经离子束辅助轰击下低能碳离子注入工艺处理后,形成由碳注入层和类金刚石碳薄膜涂层组成的改性层,其中注入层深度比DIM工艺深1倍以上。40Cr钢表面改性后显微硬度HV可提高20％－128％。     

氮碳合金化自保护硬面药芯焊丝堆焊层的组织与性能

研制出了氮碳合金化自保护硬面药芯焊丝,探讨了回火温度对氮碳合金化自保护硬面药芯焊丝堆焊层硬度和耐磨性能的影响.结果表明:其堆焊层硬度为36.5～45.5 HRC,显微组织为板条马氏体和铬、钛、钒、铌的氮碳化物的复合物,堆焊层中的氮碳化物质点不易分解,有良好的稳定性和抗高温回火性能;回火温度为550 ℃时,堆焊层硬度达到最大值,回火温度高于550 ℃,硬度值基本保持不变;氮碳合金化自保护硬面药芯焊丝堆焊层金属的磨损机理为磨粒切削后塑性磨痕和氮碳化物的块状剥离,堆焊层具有良好耐磨性能的最佳回火温度为480～520 ℃.     

碳碳复合材料快速沉积炉石墨加热系统设计

本文以开发的碳碳复合材料快速沉积炉为依托,详细介绍碳碳复合材料快速沉积炉(CVI:Chemical Vapor Infiltration)石墨加热器的设计过程,根据设备和工艺使用要求,重点介绍加热保温系统中的加热器设计、加热器表面负荷校核、加热器应力校核。实验结果表明:所设计的石墨加热器满足生产工艺要求;项目在实际生产过程中取得了1mm/h的碳沉积速度;产品在硅单晶炉热场使用中达到了预期使用寿命,成本价与同规格石墨价格接近,满足使用要求。     

ECR结合中频磁控溅射制备掺Cu类金刚石膜工艺及性能研究

为改善DLC膜的内应力及导热问题,采用ECR微波等离子体化学气相沉积及中频磁控溅射的方法制备掺Cu类金刚石膜,研究溅射电流对薄膜中Cu含量、薄膜表面形貌、结构及机械性能的影响.结果表明:改变溅射电流能有效地控制类金刚石膜中金属含量,拉曼光谱显示,制备的薄膜为典型的类金刚石薄膜结构;Cu的掺入使得类金刚石膜的硬度和耐磨损性能下降,但在一定溅射电流下可得到薄膜结构及机械性能均较好的掺Cu类金刚石膜.     

TiN薄膜的残余应力调控及力学性能研究

残余应力是制约物理气相沉积（Physical vapor deposition,PVD）硬质薄膜厚度的关键因素。采用多弧离子镀技术在高速钢基体上制备了厚度从3.7 m到15.5 m的TiN薄膜,结合曲率法和有限元法研究残余应力及结合性能随膜厚的变化规律。结果表明,随着膜厚的增加,基片弯曲程度加剧,而薄膜平均残余应力降低;膜层内残余应力的整体水平决定了界面切应力大小,薄膜结合性能随界面切应力的增加而降低。增加基体偏压、降低工作气压均导致薄膜内部残余应力的升高。当残余压应力较高时,TiN薄膜具有细小、致密的柱状晶结构,并呈现（111）择优取向,薄膜硬度及断裂韧度较高,耐磨性能良好。研究结果提示我们,通过残余应力的调控可提高硬质薄膜的力学特性。