CrN和CrAlN薄膜的微观结构及在不同介质中的摩擦学性能

采用中频非平衡反应磁控溅射技术在单晶硅P(111)和不锈钢(1Cr18Mn8Ni5N)基材上制备了CrN和CrAlN薄膜.利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和纳米压痕仪对薄膜的相结构、化学组成、表面形貌、断面结构和力学性能进行了测试分析.利用球-盘式摩擦磨损试验机(CSM)考察了两种薄膜在不同介质(空气、自来水、oil-1 (TAO-40)及oil-2 (150BS))中和Al2O3球对磨的摩擦学性能.结果表明:CrN薄膜中Al元素的掺杂并未改变薄膜晶体结构,但却降低了薄膜的表面粗糙度、增强了薄膜的致密性、提高了薄膜的力学性能、改善了水润滑和油润滑条件下薄膜的摩擦学性能.由于CrN和CrAlN薄膜的摩擦磨损性能显著依赖于测试介质,因此重点讨论了它们在不同介质中的摩擦磨损机理.     

多弧离子镀制备的CrCN涂层组织及摩擦磨损性能

采用多弧离子镀技术在硅片和316L不锈钢上制备了CrN和CrCN涂层,利用扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)对其表面形貌及成分进行表征,采用纳米压痕仪、划痕测试仪及摩擦磨损试验机测试涂层力学及摩擦学性能,观察试样磨损形貌,并分析其磨损机理。结果表明:较之于CrN涂层,所制备的CrCN涂层具有更均匀、致密的结构,与基体结合良好;涂层主要成分为Cr、C和N,其中C元素主要以sp2、sp3和C—Cr键的形式存在;CrCN涂层中由于强化相Cr7C3的产生和杂化C的形成等多种强化作用,显著提高了其硬度和耐摩擦磨损性能。     

CrNx梯度薄膜在不同水溶液中的腐蚀及摩擦学特性

采用增强阴极弧磁控溅射法在Si(100)片和WC硬质合金上制备了CrNx梯度薄膜。用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了CrNx梯度薄膜的结构及微观形貌;在人体模拟体液及海水中分别利用CHI660D电化学工作站及球-盘摩擦磨损试验机对CrNx梯度薄膜的电化学特性及CrNx/Al2O3的摩擦学特性进行了研究。结果表明:CrNx梯度薄膜在海水中表现出更优异的耐腐蚀性,CrNx梯度薄膜在人体模拟体液中的摩擦因数随载荷的增加而增大(0.23~0.33),而在海水中的摩擦因数则是先增大后减小(0.26~0.30)。低载荷下,对摩副在人体模拟体液中的磨损程度更低,当载荷增大至12N时,2种润滑环境下的磨损程度相当。     

纳米复合薄膜水润滑摩擦学性能的研究进展

评述了类金刚石基(DLC、a-C)、非晶氮化碳基(a-CNx)、过渡金属氮化物基(TiN、CrN)及其改性纳米复合薄膜的水润滑摩擦学性能,分析了微观结构、梯度结构、元素掺杂、对磨材料及摩擦参数对其水润滑摩擦磨损性能的影响,并揭示了水润滑中纳米复合薄膜存在的摩擦磨损机制,指出了三种纳米复合薄膜体系在水润滑中均可表现出优异的减摩抗磨特性,但与薄膜成分、层状结构、力学性能及对磨材料物理化学性能密切相关。一般而言,相比于过渡金属氮化物基薄膜,类金刚石基及非晶氮化碳基薄膜由于在水润滑中形成转移层和水合润滑层而呈现出更低的摩擦系数和磨损率。当选用的对磨材料易于发生摩擦水合反应时,形成的水合层起到的保护作用使得纳米复合薄膜均表现出了更低的磨损率。在保证薄膜未发生剥落而失效时,适当地加载载荷和滑移速度也是获得最优水润滑摩擦学性能的关键因素。为薄膜应用在水润滑器械作业提供了一定的参考,并展望了纳米复合薄膜水润滑摩擦学未来的研究方向。     

以环戊二烯为碳源制备类富勒烯结构碳基薄膜的结构及力学性能

以环戊二烯为碳源,采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）在Si单晶〈n100〉面上制备了类金刚石薄膜。采用FEI Tecnai F30型高分辨透射电镜（HRTEM）和LAMRAM HR 800型拉曼光谱仪对薄膜及磨屑的结构进行表征;利用MFTR4000摩擦磨损试验机、Hysitron Ti950型原位纳米力学测试系统考察薄膜的摩擦学及力学性能。结果表明： 所制备的金刚石薄膜具有富勒烯纳米团簇/非晶复合纳米结构,在磨屑中也出现了这种稳定的片层结构从而起到了良好的减摩作用;并且薄膜表现出优异的力学性能和摩擦学性能： 其硬度为26.8 GPa、弹性回复为85%、摩擦因数为0.01。由于这种特殊纳米结构的存在,使得薄膜的力学性能及摩擦学性能显著提高。     

溅射功率对La-Ti/WS2 复合薄膜高温摩擦学行为的影响

高温条件下WS₂易于氧化生成WO3,导致WS₂固体润滑薄膜的摩擦学性能受到较大影响。为改善WS₂固体润滑薄膜在高温条件下的摩擦学性能,采用非平衡磁控溅射技术制备了共掺杂La-Ti/WS₂复合薄膜,研究了靶功率对磁控溅射La-Ti/WS₂复合薄膜结构和高温摩擦学性能的影响。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了薄膜微观形貌、成分、力学性能、微观结构。利用高温摩擦磨损试验机研究了复合薄膜的高温摩擦学性能。结果表明,高温环境下,靶功率为20W时La-Ti/WS₂复合薄膜表现出优异的摩擦学性能。此时,复合薄膜H/E值最大,摩擦系数最小,平均为0.012,磨损率最低为1.56×10^-8mm³/N·m,这主要归因于高温下摩擦界面产生的稀土氧化物,促使La-Ti/WS₂复合薄膜的摩擦磨损机制发生了改变,使得WS₂在高温受破坏的情...     

CrSiN纳米复合薄膜的摩擦学性能

采用中频非平衡反应磁控溅射技术在单晶硅P(111)基材上制备了CrSiN纳米复合薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、Kevex能谱仪(EDX)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪对薄膜的相结构、化学成分组成和力学性能进行了测试分析。利用球-盘式摩擦磨损试验机(UMT-2)考察了薄膜和GCr15钢球对磨的摩擦学性能并采用扫描电镜(SEM)观察磨痕形貌。结果表明:CrN薄膜中Si元素的掺杂改变了薄膜晶体结构,所制备的CrSiN复合薄膜为多相复合结构,即nc-CrN/aSi3N4所组成的纳米晶/非晶复合结构。CrSiN纳米复合薄膜的力学性能均优于CrN薄膜,其硬度均高于CrN薄膜的硬度,其中Si原子数分数为12.6%时薄膜的硬度达到最大,对应纳米晶/非晶复合强化。CrSiN纳米复合薄膜的摩擦因数低于CrN薄膜,具有很好的抗磨损性能,并具有一定的润滑作用。     

MoS2-Ti自润滑复合薄膜的高温摩擦学性能研究

目的探究Ti含量对MoS₂-Ti复合薄膜高温摩擦学性能的影响,制备高温摩擦性能良好的MoS₂-Ti复合薄膜。方法采用射频和直流双靶共溅射技术沉积了不同Ti含量的MoS₂-Ti复合薄膜,研究了Ti含量对MoS₂-Ti薄膜微观结构和力学性能的影响,进一步探究了MoS₂-Ti复合薄膜在大气环境下的高温摩擦学性能。采用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM),对薄膜的成分、晶相结构及微观形貌进行分析。利用显微维氏硬度计测试薄膜的力学性能,通过UMT-TriboLab摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能。此外,采用SEM、拉曼光谱仪(Raman)和X射线光电子能谱仪(XPS),对薄膜的磨痕形貌及对偶球转移膜的成分进行分析。结果Ti掺杂促进了MoS₂薄膜以(002)晶面择优取向生长,且提高了薄膜的致密度,薄膜硬度从70HV提升到350HV。MoS₂-Ti复合薄膜在高温环境下的摩擦性能,随Ti含量的增加呈先上升后下降的趋势,其中Ti原子数分数为6.81%的MoS₂-Ti复合薄膜具有较低的摩擦因数和磨损率。通过对转移膜的成分进行分析,发现处于300℃高温环境下,Ti原子数分数为13.51%的MoS₂-Ti复合薄膜由于在摩擦过程中生成的氧化物较多,其耐磨性能开始下降。结论Ti含量对MoS₂-Ti复合薄膜的高温摩擦学性能有明显的影响,掺杂适量Ti能显著提高MoS₂薄膜在大气环境下的高温摩擦学性能。     

MoS2-Al复合薄膜高温摩擦学性能研究

目的提升MoS_2薄膜在高温环境下的润滑性能。方法应用非平衡磁控溅射技术共溅射MoS_2靶和Al靶沉积MoS_2-Al复合薄膜。通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压入仪和CSM牌高温摩擦磨损试验机,评价MoS_2-Al复合薄膜表面及断面形貌、微观结构、机械性能和高温环境下的摩擦学性能,并通过奥斯巴林显微镜观察磨痕及磨斑形貌。结果温度超过400℃时,Al含量(原子数分数)为18.3%的MoS_2-Al复合薄膜表现出了优异的高温润滑性能,摩擦初始阶段的摩擦系数保持在0.07左右,平均摩擦系数低至0.172,比纯MoS_2薄膜的摩擦系数降低了64%,摩擦曲线十分稳定。结论当薄膜中Al的添加量为18.3%时,Al的引入在不破坏MoS_2结构时起到了自身优先氧化的作用,从而保护了MoS_2结构不被破坏,使MoS_2-Al复合薄膜在高温环境下的润滑能力得到了显著提升。     

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。     

不同沉积温度下CrCN涂层的力学性能

使用磁控溅射技术在304不锈钢表面制备CrCN涂层,研究了沉积温度(200、250、300、350和400 ℃)对涂层结构及力学性能的影响。研究表明,沉积温度为250 ℃时,涂层的晶粒尺寸及表面粗糙度最大,但随着沉积温度的进一步升高,涂层的晶粒逐渐细化,表面粗糙度明显下降;同时涂层硬度伴随沉积温度的升高出现先增大后减少的趋势,沉积温度为350 ℃时,薄膜具有最高的硬度(22.85 GPa),抗弹性形变和抗塑性形变能力最好,体现出优异的力学性能。     

Wear and corrosion behavior of CrCN/CrN coatings deposited by cathodic arc evaporation on nitrided 42CrMo4 steel substrates

In the paper, the results of wear and corrosion tests of the CrCN/CrN multilayer coatings, formed by cathodic arc evaporation on 42CrMo4 (AISI 4140) steel substrates are presented. The substrates were subjected to thermo-chemical treatment–nitriding with various nitriding potential. The results of nitriding were determined by XRD and the hardness profile in the samples cross-section. The morphology of thin coatings was examined with SEM. A Vickers FV-700 and Fisherscope HM2000 hardness testers enabled to investigate hardness of steel substrates and CrCN/CrN coatings respectively. A pin-on-disc wear tests were used to determine the hardness and tribological parameters of the coatings: the coefficient of the friction and wear rate. The scratch test and Rockwell test were applied to assess the adhesion of the coatings to the substrates. The corrosion properties of coating–steel substrate systems were investigated using potentiodynamic polarisation tests. Corrosion potential, corrosion current density and polarization resistance were determined. It was found that that the nitriding of steel substrates improves properties of the coating–substrate system. The nitriding 42CrMo4 steel substrate with low nitriding potential enable to obtain substrates without surface “white layer” what favours good adhesion of the coating to the substrate. The CrCN/CrN multilayer coating–steel substrate systems show good mechanical and tribological properties and corrosion resistance.     

基体材料对Cr/CrN多层涂层在海水环境中磨蚀性能的影响

目的 讨论海水环境下不同基体材料对Cr/CrN交替的多层复合涂层磨蚀性能的影响,为海水环境下耐磨蚀材料基体的选择和应用提供参考。方法 采用多弧离子镀技术在316L不锈钢和TC4钛合金基体上沉积Cr/CrN多层复合涂层,通过XRD、SEM等技术对涂层材料的微观结构进行表征,通过硬度测试、结合力测试、电化学分析、摩擦磨损试验等技术对涂层材料的力学性能、电化学性能以及摩擦学性能进行分析,比较不同基体对Cr/CrN多层涂层在海水环境中磨蚀性能的影响。结果 以TC4钛合金为基体的Cr/CrN多层涂层的硬度为1727.2HV0.3,虽略小于以316L不锈钢为基体的涂层硬度（2241.5HV0.3）,但其在膜-基结合力、海水环境下电化学性能和摩擦学性能等方面均优于以316L不锈钢为基体的涂层。结合力测试中,以TC4为基体的多层涂层初始裂纹出现在31 N,扩展裂纹出现在42 N,大于316L基体涂层的22 N和35 N。电化学测试中TC4基体涂层的腐蚀电位为?0.20 V,大于316L基体涂层的腐蚀电位（?0.21 V）。海水环境下TC4基体涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.35和2.9950×10?5 mm3/(N?m),均小于316 L基体涂层的平均摩擦系数（0.36）和磨损率（4.9895×10?5 mm3/(N?m)）。结论 TC4钛合金更适合作为海水环境用Cr/CrN多层涂层耐磨蚀材料的基体材料。     

HVOF喷涂AlCoCrFeNi高熵合金涂层在模拟海水钻井液中的腐蚀和磨损性能研究

目的 提高钻具关键易损零部件在海洋钻探实际应用中的耐腐蚀和磨损性能。方法 采用超音速火焰喷涂技术（HVOF）制备Al CoCrFeNi高熵合金涂层。使用电化学工作站对涂层和35CrMo钢基体（常用的钻具材料）进行电化学测试,电化学测试包括动电位极化曲线测试和电化学阻抗谱（EIS）测试。采用摩擦磨损试验机对涂层在模拟海水钻井液中不同载荷和不同滑动速度下的磨损行为进行研究。采用扫描电子显微镜及X射线能谱仪对磨痕表面微观形貌及成分进行分析,利用三维白光干涉形貌仪测量涂层的磨痕三维形貌及磨损体积。结果 HVOF喷涂Al Co Cr Fe Ni高熵合金涂层在模拟海水钻井液中的耐腐蚀性优于35CrMo钢基体,可以起到有效的腐蚀防护作用。相同条件下,Al CoCrFeNi高熵合金涂层的耐磨性优于35CrMo钢基体。在滑动摩擦磨损过程中,随着载荷及滑动速度的增大,涂层的平均摩擦系数和磨损率均增大,且涂层的磨粒磨损程度加重。当载荷为6 N时,涂层发生疲劳磨损;当滑动速度为0.15 m/s时,涂层出现粘着磨损。模拟海水钻井液对涂层磨损性能的影响可以分为2个方面。一方面可以起到润滑作用,模拟海水钻井液显著改...     

等离子喷涂典型耐磨涂层材料体系与性能现状研究

等离子喷涂作为重要的热喷涂技术之一,在零件表面强化处理与再制造损伤修复领域具有广泛的应用.由于不同机械零部件工作环境(温度、转速、腐蚀环境、润滑状况等)、基体材质及运动形式等因素存在较大的差异,因而通常需根据其具体服役工况选择最优的表面强化涂层,以满足零件表面摩擦学性能需求,提升机械装备的综合服役性能.基于此,对国内外...     

Effect of N Doping on Microstructure,Mechanical and Tribological Properties of V-Al-C CoatingsEI北大核心CSCD

The crises of resource shortage have prompted ocean exploitation to spring up all over the world. Some crucial frictional components of marine equipment have to be directly faced with the conjoint action of wear and corrosion. Transition metal nitrides or carbides hard coatings have been widely used to improve tribological performance in various applications. However, the poor toughness, wear and corrosion resistance of coatings cannot meet the harsher marine environment, which needs to obtain multi-functional hard coatings providing complex properties. The nanocomposite structure coatings containing nanocrystalline phase embedded in an amorphous matrix allow tailoring their properties to desired value by designing chemical composition and nanostructure. In this work, V-Al-C and V-Al-C-N coatings were deposited on silicon and high speed steel (HSS) substrates by magnetron sputtering. The crystal microstructure, chemical composition, surface morphology, cross-sectional structure, mechanical property and friction behavior of the coatings under different contact conditions (air, distilled water and artificial seawater) were studied by XRD, XPS, SEM, nano-indentation and ball-on-disc tribometer. The results showed that the V-Al-C coating displayed columnar structure with coarse grain. When the nitrogen was incorporated, the coating structure evolved into nanocomposite structure composed of nanocrystallite and amorphous carbon. The hardness increased from (14 +/- 0.48) GPa to (24.5 +/- 0.8) GPa, and the toughness was significantly improved (H/E>0.1). In air condition, the friction coefficient decreased from 0.70 to 0.42, owing to the synergy interaction between V2O5 and amorphous carbon during sliding. The friction coefficients of the both coatings in distilled water and artificial seawater were lower than those in air owing to the boundary lubrication forming lubricative film by absorbed water. The friction coefficient in seawater was lower than those in distilled water, resulting from the formation of Mg(OH)(2) and CaCO3 during sliding. However, the wear rates of the both coatings in artificial seawater were larger than that in distilled water, which demonstrated a synergism between corrosion and wear in artificial water. The V-Al-C coating was all worn out under different contact conditions owing to severe abrasive wear, while the V-Al-C-N coating showed better wear resistance, with a wear rate of 3.0x10(-16) m(3)/(N center dot m) in air and 1.4x10(-15) m(3)/(N center dot m) in artificial water, respectively.     

Preparation and Properties of Electroless Plating Wear- resistant and Antifriction Composite Coatings Ni-P-SiC- WS2

在金属表面制备高硬度、耐磨损且摩擦系数低的功能涂层,可以有效减少摩擦功耗、延长机械设备的使用寿命。采用化学复合镀的方法,在不锈钢基质上实现Ni-P-Si C-WS2镀层的镀覆,并对镀层的表面形貌、微观结构、成分、硬度、耐蚀性和摩擦学性能等进行了测试和分析。结果表明:Ni-P-Si C-WS2镀层表面平整致密,Si C和WS2嵌入在涂层中,且均匀分布。由于硬质粒子的弥散强化机制和软质粒子的润滑作用,与同等试验条件下的Ni-P基其它复合镀层Ni-P-Si C和Ni-P-Si C-Mo S2相比,Ni-P-Si C-WS2的显微硬度、腐蚀性能、耐磨性及自润滑性能都得到了很大的提高。     

CrN/CrAlSiN涂层海水环境下的摩擦学性能

为提高海洋装备摩擦零部件的摩擦学性能,采用多弧离子镀技术在316L不锈钢上制备了CrN/CrAlSiN涂层。通过XRD、XPS表征涂层的物相及成分,SEM和TEM表征涂层的形貌和微观结构,并用纳米压痕仪测试其硬度,采用摩擦磨损试验机对涂层在大气和海水环境中的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:CrN/CrAlSiN涂层的微观结构主要有CrN相、AlN相以及非晶态Si_3N_4包裹CrN、AlN相,(111)择优取向最为明显;基于微观结构与CrN过渡层的设计,CrAlSiN涂层硬度高达35.5 GPa;较之于316L基底,涂层致密的结构使其在海水环境下表现出更好的耐腐蚀性能;在大气和海水环境下,CrN/CrAlSiN涂层的摩擦因数及磨损率均明显降低,在海水环境下达到最优。     

机械镀Zn-Ti复合镀层的性能

在机械镀锌中添加钛盐,获得了Zn-Ti复合镀层,使得镀层具有比纯锌镀层更加优良的耐蚀性能.试验中利用体视显微镜、扫描电子显微镜观察分析了机械镀Zn-Ti复合镀层的表面形貌和断口结构,对其孔隙率、结合强度、耐腐蚀性等性能进行检测,并分析添加钛盐对镀层性能的影响.结果表明:机械镀Zn-Ti复合镀层是一种综合性能优良的防护镀层,比机械镀纯锌层外观更为均匀光滑,无贯穿性孔隙,结合力和耐腐蚀性均优于机械镀锌层.     

锌铝/富铝复合涂层在海洋环境中的耐蚀性研究

在锌铝涂层表面喷涂HD590富铝涂液形成复合涂层,对比了锌铝涂层与复合涂层的附着强度、耐磨性、微观形貌,并通过中性盐雾试验、海洋平台棚下大气暴露试验和海水周期喷淋试验,对比研究了二者的耐蚀性。结果表明:复合涂层的附着强度比锌铝涂层提高了30%,耐磨性好,涂层厚度满足紧固件工件的配合精度要求;复合涂层的抗盐雾腐蚀性能和耐海洋环境腐蚀性能优于锌铝涂层,其防腐机理为屏蔽作用、钝化作用和阴极保护相结合;防腐过程中,富铝层发生活化反应,产生一定的牺牲阳极保护作用,同时使涂层腐蚀电位负移,提高了其阴极保护作用。