超硬TiSiCN纳米复合涂层在多环境下的摩擦学性能

TiSiCN 硬质纳米复合涂层因其优异的力学性能和摩擦学性能而被广泛应用于各类机械零部件表面的防护涂层,但是超硬耐磨 TiSiCN 纳米复合涂层的可控制备技术仍然有待进一步研究。 采用高功率脉冲磁控溅射技术,微脉冲振荡开启时间 ＜i＞τ＜/i＞_on = 50 μs,平均靶功率 4~ 8 kW,在 AISI 316L 不锈钢和 Si(100)单晶硅表面沉积了一系列不同成分的 TiSiCN 纳米复合涂层。 通过 XRD、FESEM、TEM、Raman 表征了涂层的结构和成分,采用纳米压痕仪和显微硬度计表征涂层的硬度和断裂韧性 K_IC 。 通过摩擦磨损试验机表征了涂层在不同介质环境下的摩擦学性能,利用表面轮廓仪和光学显微镜对磨痕形貌进行进一步分析。 分析结果表明 TiSiCN 涂层由非晶包覆晶粒尺寸为 4 ~ 11 nm 的 TiCN 纳米晶构成。 随着靶功率的增加,涂层的硬度从 32. 6 GPa 增至 41. 3 GPa,膜-基结合力等级均为 HF2~ HF1。 8 kW 制备的 TiSiCN 涂层在干摩擦、酸、碱、油溶液环境下的磨损率分别为 5. 9×10 ^-6 mm ³N ^-1m ^-1 、4. 3×10 ^-5 mm ³N ^-1m ^-1 、9. 1×10 ^-5 mm ³N ^-1m ^-1 和 1. 28×10 ^-9 mm ³N ^-1m ^-1 。 研究成果表明采用高功率脉冲磁控溅射技术制备的 TiSiCN 纳米复合涂层在酸、碱、油溶液环境下均具有优异的耐摩擦学性能,在各类腐蚀环境中具有优异的应用前景。     

HIPIMS制备Cr-B涂层及摩擦学性能

为研究Cr-B涂层在多测试环境(干摩擦、蒸馏水和海水环境)下摩擦磨损行为,采用高功率脉冲磁控溅射沉积技术制备Cr-B涂层,分析涂层成分、结构、微观形貌和力学性能,重点考察涂层在不同环境下的摩擦磨损性能。结果表明:制备的Cr-B涂层,B/Cr的原子比为1.8,结构主要由CrB2和自由Cr相组成,硬度和弹性模量分别为(26.9±1.0)GPa和(306.7±6.0)GPa。摩擦测试结果显示:涂层在干摩擦时具有较高的摩擦因数为0.75,发生严重磨损失效,归因于摩擦过程中涂层剥落而导致严重的磨粒磨损;与干摩擦相比,涂层在蒸馏水和海水环境中的摩擦因数均显著降低,分别为0.26和0.22,这主要由于蒸馏水和海水的边界润滑作用所导致,在蒸馏水中摩擦的磨损机制为磨粒磨损,而在海水中的磨损机制为磨粒磨损和腐蚀磨损的协同作用。     

等离子喷涂Cu-Al2O3复合涂层制备及摩擦学性能研究

目的研究铜的添加对Al_2O_3涂层摩擦磨损性能的影响。方法采用等离子喷涂技术在20钢表面分别制备Al_2O_3和Cu-Al_2O_3涂层。对两种涂层显微硬度、结合强度、摩擦磨损性能进行对比研究,并分析涂层的相组成、组织结构、磨损形貌。结果 Al_2O_3原始粉末含有α-Al_2O_3相,制成涂层后有γ-Al_2O_3新相生成。Cu-Al_2O_3原始粉末主要由Cu、α-Al_2O_3相组成,所制备Cu-Al_2O_3涂层有γ-Al_2O_3和Cu_2O新相生成。两种涂层均由基体、粘结层、涂层组成,各层之间有明显的界面,层与层之间结合良好。Cu-Al_2O_3涂层较Al_2O_3涂层孔隙、微裂纹减少。添加铜后,结合强度明显提高,Al_2O_3涂层的结合强度为7.56 MPa,Cu-Al_2O_3涂层的结合强度为15.96 MPa,而显微硬度变化不大。Cu-Al_2O_3涂层的摩擦系数明显降低,且波动幅度较小;磨损率为5.93×10~(-4)mm~3/m,比Al_2O_3涂层降低了14.68%。与Al_2O_3涂层相比,Cu-Al_2O_3涂层磨痕处剥落坑面积减小,磨损表面比较平整,剥落现象减轻,主要磨损机制为剥落。结论铜的添加改善了Al_2O_3涂层的摩擦磨损性能。     

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层对钛合金基体抗氧化性能的影响研究

目的研究Ti6Al4V基TiAlSiN涂层在800℃下的抗循环氧化性能。方法采用高功率调制脉冲磁控溅射技术,通过调节N2/Ar的流量比fN2,在Ti6Al4V合金和Si(100)上沉积了一系列不同Si含量的TiAlSiN涂层。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子探针、透射电镜和纳米压痕仪,表征了TiAlSiN涂层的成分、相组成、微结构和硬度,并通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜,进一步对Ti AlSiN涂层在800℃下循环氧化后的微观结构和形貌进行分析。结果脉冲平均功率为2k W时,fN2由10%增至30%,TiAlSiN涂层的Si含量(以原子数分数计)由6.1%增加至16.4%,涂层中Ti和Al含量则相应地降低。当fN2为10%时,TiAlSiN涂层呈现典型的X射线非晶结构特征,涂层中N含量(以原子数分数计)约为47%;当fN2为30%时,TiAlSiN涂层呈现Ti Al N和非晶相的混合结构。TEM结果表明,涂层中TiAlN晶粒尺寸约为5nm并均匀镶嵌在非晶相上。所有沉积于Si基底上的TiAlSiN涂层均具有相近的纳米硬度、弹性模量及残余应力,分别为17 GPa、225 GPa和–...     

纳米CrNx涂层相组成、结构及力学性能研究

采用高功率调制脉冲磁控溅射(modulated pulsed power magnetron sputtering, MPPMS)和脉冲直流磁控溅射(pulsed direct current magnetron sputtering, PDCMS)复合沉积CrN_x涂层,通过调节氮气流量比及溅射功率,研究了氮气/氩气流量比、PDCMS溅射功率及MPPMS溅射功率等工艺参数对CrN_x涂层成分、相组成、微结构和力学性能的影响。通过电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪及维氏硬度计等,分别对CrN_x涂层的成分、相组成、微结构、形貌、硬度及断裂韧性等进行表征。结果表明,当PDCMS溅射功率从700 W增加到1000 W,MPPMS峰值功率增加43.5%,涂层中Cr含量(原子分数)由61.0%增加到65.4%,N含量由39.0%减少到34.6%,而CrN_x涂层主要由Cr₂N相组成。随着溅射功率的增大,CrN_x涂层硬度变化不...     

电弧离子镀制备 TiSiN 纳米复合涂层

目的在SiH4气氛下制备Si掺杂的TiSiN纳米复合涂层,为SiH4用于工业化TiSiN涂层生产提供依据。方法采用电弧离子镀技术,在SiH4气氛下,于单晶硅和硬质合金衬底上制备Si掺杂的TiSiN纳米复合涂层,研究SiH4流量对TiSiN涂层化学组分、微观结构、硬度和耐磨性能的影响。结果 SiH4流量对TiSiN纳米复合涂层的微观结构、硬度及摩擦系数的影响明显。随着SiH4流量的增加,TiSiN涂层由柱状晶生长的晶体结构逐渐转变为纳米晶镶嵌于非晶基体的复合结构。Si在涂层中以Si3N4非晶相存在,随着涂层中Si含量逐渐增加,TiN晶粒尺寸逐渐减小,Si3N4起到细化晶粒的作用。在42 m L/min的SiH4流量下,涂层硬度高达4100HV0.025。在对磨材料为硬质合金的条件下,TiSiN涂层摩擦系数小于0.6。结论 SiH4气氛下可以制备出Ti N纳米晶镶嵌于Si3N4非晶相结构的TiSiN纳米复合涂层,涂层的显微硬度较高。SiH4可以作为Si源用于TiSiN纳米复合涂层的工业化生产。     

偏压对MPP制备AlTiSiN纳米复合涂层结构及性能的影响

目的实现对AlTiSiN纳米复合涂层微观组织结构的调控及力学性能优化。方法利用可调控脉冲磁控溅射技术,通过调控基体偏压(-50～-250 V)制备了不同偏压条件下的AlTiSiN纳米复合涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)、薄膜综合性能测试仪及球盘摩擦试验仪,测试了涂层的微观组织结构、组成成分、表面形貌、力学性能及摩擦学性能。结果偏压对涂层元素组成影响不大。微观组织结构方面,不同偏压条件下制备AlTiSiN纳米复合涂层的晶面衍射峰宽化现象明显,呈现纳米晶组织结构。-200V条件下制备的涂层的晶面衍射峰呈"馒头峰"形态,表明涂层结晶性能出现明显下降,呈类非晶组织结构;偏压升至-250V时,高能离子对涂层生长表面的持续轰击作用,使得涂层生长表面升温明显,导致结晶性能出现明显改善。涂层表面光滑致密,表面粗糙度最低可达1.753nm。力学性能方面,随基体偏压的升高,涂层硬度在取得最大值后逐渐下降,最高硬度可达25.9 GPa,H/E*系数可达0.13。摩擦学性能方面,偏压为-200 V时,涂层磨损率取得最小值4.7×10~(-15) m~3/(N×m)。结论改变基体偏压,成功实现了涂层微观组织结构的调控生长,进而达到了优化涂层组织结构、力学性能及摩擦学性能的目的。     

PMMA表面高功率脉冲磁控溅射制备ITO涂层的研究

采用高功率脉冲磁控溅射技术在PMMA基体上制备了ITO涂层。利用XRD、SEM对涂层进行了相结构的分析,并进行了划痕实验、光电性能测试,结果表明：偏压、氢氩流量比等工艺参数对涂层的相结构、膜基结合力、光电性能均有影响。增大偏压,膜基结合力将增强,偏压达到240 V时,膜基结合力最好（56.5N）。偏压由0 V增加到160 V的过程中,涂层晶粒增大,透射率变高（ 由82.24% 增至 89.82%）,电阻率变低（由0.006571 减至 0.000543 Ω.cm）。氢氩流量比由0增至0.05,透射率变低（由89.82%减至56.12% )。氢氩流量比由0增至0.03,电阻率变低(由0.000543减至0.000212 Ω.cm ) ;氢氩流量比由0.03增至0.05,电阻率变高由0.000212 增至0.000373 Ω.cm)。     

FeCrNiMoCu高熵合金涂层的多靶磁控共溅射制备及微结构分析

采用多靶磁控共溅射技术的单靶功率可调特点,在304不锈钢基体上,制备出了FeCrNiMoCu高熵合金涂层。通过纳米压入(Nanoindentation)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等对不同组分含量的FeCrNiMoCu高熵合金涂层的纳米硬度、微观结构及形貌进行了表征。结果表明:磁控共溅射法制备的FeCrNiMoCu涂层具有简单的fcc结构和高的纳米硬度,表面硬度随铁元素含量上升而增加。     

模具钢TiAlN和TiAlSiN涂层的制备及性能

采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术在H13(4Cr5MoSiVl)热作模具钢和Cr12MoV冷作模具钢表面制备了TiAlN和TiAlSiN涂层.通过X射线衍射仪、扫描电镜、划痕仪和电化学工作站等分析了TiAlN和TiAlSiN涂层的微观结构、形貌和综合性能.结果表明:涂层表面较平整致密,截面无明显裂纹、孔洞等缺...     

脉冲峰值电流对HIPIMS/DCMS共沉积制备AlCrTiN涂层性能的影响

利用HIPIMS与DCMS共沉积技术制备AlCrTiN复合硬质涂层,通过调控Al Cr靶脉冲峰值电流来制备不同峰值电流下的AlCrTiN涂层。采用XRD、SEM等分析手段表征不同峰值电流下AlCrTiN涂层的组织结构及微观形貌;通过纳米压痕、真空退火、高温摩擦磨损试验分析涂层的力学性能、热稳定性能及摩擦学性能。结果表明:AlCrTiN涂层为典型的面心立方结构,随峰值电流的增加,(111)及(200)晶面呈现竞争生长的状态;随真空退火温度上升,各涂层硬度值出现明显下降。1 000℃退火后,各涂层硬度维持在17 GPa附近;随摩擦环境温度的上升,各涂层摩擦因数整体呈下降趋势;280 A所制备涂层因高温抗氧化性能及磨屑排出能力的不足导致其高温磨损率迅速增加,800℃下其磨损的主要形式为氧化磨损和粘着磨损。     

磁控溅射制备TiWN/MOS2薄膜及其微观结构和摩擦学性能研究

采用磁控溅射方法在40Gr不锈钢基体上,沉积了TiN及TiWN单层薄膜、TiN/MoS2及TiWN/MoS2双层薄膜,对比分析了薄膜的成分、相结构、微观形貌及摩擦学性能.结果表明:根据W含量的不同,TiWN薄膜中,Ti0.67W0.33N膜层具有较高的硬度和弹性模量;TiWN/MoS2薄膜中,TiWN层主要含有TiN和...     

溅射气压对铝合金表面HPPMS沉积钒薄膜摩擦学性能的影响

采用高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)技术,在铝合金基体上制备V薄膜。研究溅射气压对V薄膜相结构、表面形貌及摩擦学性能的影响。结果表明:不同气压下制备的V薄膜中的V相仅沿(111)晶面生长,其衍射峰强度先增强后减弱,当气压为0.5Pa时,衍射峰最强且择优取向最明显;同时,V薄膜表面质量最好,其表面粗糙度最小仅为0.267nm。室温下V薄膜样品的耐磨性能与基体相比有大幅提高,当气压为0.5Pa时,摩擦系数可由基体的0.57下降到0.28,磨痕表面无明显的剥落迹象,表现出最佳的摩擦磨损性能。经过200和300℃加热处理后的V薄膜样品的摩擦系数与基体相比具有稳定的低值,这是由于表面氧化造成的。     

沉积压力对磁控溅射WS2薄膜摩擦学性能的影响

目的研究不同沉积压力对磁控溅射WS2薄膜微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。方法采用射频磁控溅射法制备WS2薄膜。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜微观形貌、成分和晶相结构进行表征。用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果随着沉积压力增大,WS2薄膜疏松多孔结构明显降低,粗大柱状晶显著细化,薄膜致密度得到有效改善。沉积压力大于0.8Pa时,WS2薄膜表现出明显的(101)晶面择优取向。WS2薄膜硬度变化与薄膜中S/W原子比变化趋势相反,弹性模量逐渐减小。沉积压力0.4 Pa时,由于WS2薄膜大部分易滑移(002)晶面平行于基体表面,摩擦系数最低,为0.092,但其耐磨性能最差。沉积压为1.6 Pa时,WS2薄膜的磨损率最低,为2.34×10^-7 mm^3/(N·m),表现出良好的耐磨性能。结论改变沉积压力可以显著提高WS2薄膜致密度,改善薄膜的力学性能,提升WS2薄膜的摩擦磨损性能。     

SiC靶功率密度对无氢掺硅类金刚石薄膜摩擦学性能的影响

采用直流磁控溅射石墨靶、中频磁控溅射碳化硅靶以及离子源辅助的复合沉积技术,制备出膜层质量优异、摩擦因数和磨损率较低的具有不同Si含量的无氢掺硅类金刚石薄膜。使用XPS、拉曼光谱仪、台阶仪、纳米硬度计、SEM、EDS以及球盘式摩擦磨损试验仪测试并表征薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能。研究表明,该技术能够成功制备出无氢掺硅类金刚石薄膜;随着SiC靶功率密度的增加,薄膜中Si的含量和sp3键的含量逐渐增加,其纳米硬度和弹性模量先增大后减小,摩擦因数由0.277降低至0.066,但其磨损率从6.29×10-11 mm3/Nm增加至1.45×10-9 mm3/Nm;当SiC靶功率密度为1.37W/cm2时,薄膜的纳米硬度与弹性模量分别达到最大值16.82GPa和250.2GPa。     

稀土Ce共溅射沉积(AlCrNbTiVCe)N涂层的高温摩擦学性能

研究了稀土Ce与AlCrNbTiV高熵合金磁控共溅射(AlCrNbTiVCe)N涂层500℃下的摩擦学性能。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层的表面形貌、成分、物相和价态。通过纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试涂层的力学性能和摩擦学性能。结果表明采用磁控溅射技术可以制备出性能良好的(AlCrNbTiVCe)N涂层,Ce的引入改善了涂层微观组织和结构,增强了涂层的硬度,提高了涂层的抗塑性变形能力和抗弹性变形能力,进而使涂层具有良好的摩擦磨损性能。在室温下(AlCrNbTiVCe)N涂层的摩擦因数和磨损率与未含Ce的(AlCrNbTiV)N涂层相比均显著降低,其磨损机制为轻微的磨粒磨损和粘着磨损;在500℃下(AlCrNbTiVCe)N涂层具有比室温下更低的摩擦因数,其磨损机制以氧化磨损为主,这是由于涂层表面存在CeO₂,起到了改善涂层摩擦性能的作用。在磁控溅射工艺中引入Ce元素,可以获得摩擦学性能优良的(AlCrNbTiVCe)N涂层。     

磁控溅射沉积V-Al-N涂层的结构和性能研究

通过反应磁控溅射法制备了V1-xAlxN(0≤x≤0.67)涂层,研究了Al含量对涂层微观结构、力学性能及摩擦磨损性能的影响.结果表明:在0≤x≤0.51范围内,随Al含量的增加,V1-xAlxN涂层的微观结构不断变得致密,硬度不断提高,其中结构最为致密的V0.49Al0.51N涂层的硬度较VN提高了近3倍;在较宽的成分区间内,V1-xAlxN涂层结构均比较致密,硬度大于30 GPa,最高硬度达到41 GPa;随着硬度的改善,V1-xAlxN涂层的摩擦磨损性能较VN涂层也有不同程度的提高.     

还原性气氛制备Zr-B-N纳米复合涂层的结构及性能分析

目的 制备高纯度、超硬、高耐磨的Zr-B-N纳米复合涂层。方法 在反应气体中掺入还原性气体H2,利用氢元素强还原性去除真空室以及反应气氛中残留的O杂质,采用脉冲直流磁控溅射技术,通过调节N2+H2混合气体流量制备高纯度Zr-B-N涂层。利用扫描电镜、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机等设备对涂层的微观结构、力学性能和摩擦性能进行测试,并分析其变化机理。结果 随着N2+H2流量的增加,Zr-B-N涂层内N含量在N2+H2流量为10 mL/min时达到最高。从截面形貌可以看出,涂层结构由粗大的柱状晶逐步转变为玻璃状细小柱状晶结构,涂层更加致密,呈现典型的纳米复合结构。微量H元素的掺入,减少了涂层制备过程中O相关化学键的生成,制备出的Zr-B-N涂层晶粒的生长环境得到改善。在N2+H2流量为 10 mL/min时,涂层的硬度和弹性模量达到最大值40.26 GPa和532.98 GPa,临界载荷最大约为60.1 N,摩擦系数较小,为0.72,磨损率在此时最低,为1.12×10^–5mm³/(N.m)。结论 当N2+H2流量为10 mL/min时,制备出了超硬Zr-B-N纳米复合涂层。适量氢元素的掺入,充分去除真空室内氧杂质,改善了涂层中晶粒的生长环境,有效地提高涂层的硬度及摩擦磨损性能。     

沉积压力对磁控溅射La-Ti/WS2复合薄膜结构和摩擦学性能的影响

目的研究不同沉积压力对磁控溅射La-Ti/WS_2复合薄膜微观结构及摩擦学性能的影响。方法采用非平衡射频磁控溅射法制备WS_2薄膜和La-Ti/WS_2复合薄膜。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜微观形貌、成分和晶向结构进行表征。用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果掺杂La和Ti可以改善WS_2复合薄膜的微观结构。在给定的沉积压力下,La-Ti/WS_2复合薄膜均呈岛状生长模式,组织均匀,且排列较为紧凑,结构致密性好。随着沉积压力的增大,WS_2(002)衍射峰向高θ值偏移,晶面间距减小,晶格发生收缩。复合薄膜的硬度和弹性模量随着沉积压力的增大,先增大后减小。沉积压力为1.2 Pa时,La-Ti/WS_2复合薄膜的摩擦系数低至0.07左右,磨损率低至2.45×10~(–8) mm~3/(N·m)。结论沉积压力对La-Ti/WS_2复合薄膜的性能有较大影响,合适的沉积压力可以提升La-Ti/WS_2复合薄膜的摩擦磨损性能。