GLC/成分梯度CNx多层膜的微观结构和摩擦学性能

类金刚石碳膜通常内应力大、结合力低,而多层膜结构可提高结合力。 采用磁控溅射技术在 Si 基体上沉积不同 CNx 层厚度的 GLC/ 成分梯度 CNx 纳米多层膜。 通过扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)、Raman 光谱仪、球盘式摩擦仪、纳米压痕仪等对多层膜的表面形貌、微观结构、力学以及摩擦性能进行分析。 结果表明:多层膜表面平整光滑,CNx 层厚度为 50 nm 的多层膜有明显的层状结构。 多层膜中存在石墨相而 CNx 以微晶或非晶存在。 薄膜的 sp3 键含量、结合力、硬度等均随 CNx 层厚度的增加先增加后减小。 CNx 层厚度对多层膜的大气环境摩擦因数影响很小,但显著降低其真空环境摩擦因数。 多层膜的硬度为( 15 ~ 17. 6) GPa,大气中的磨损率为 (1. 03~ 2. 33)×10^-16 m³N^-1m^-1 ,真空中为(2. 06~ 3. 34)×10^-16 m³N^-1m^-1 。 CNx 层厚度为 20 nm 的多层膜综合性能最佳。     

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。     

纳米调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层结构和性能的影响

目的 研究纳米调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层结构及性能的影响。方法 采用电磁永磁共控的阴极电弧离子镀技术,使用纯N2和合金CrW靶及纯金属Mo靶,制备不同调制周期厚度的CrWN/MoN纳米多层涂层,对CrWN/MoN纳米多层涂层的物相结构、微观形貌、硬度、摩擦系数和磨损率等进行分析。结果 CrWN/MoN纳米多层涂层由面心立方CrWN与六方d-MoN两相组成。随着调制周期减小,CrWN/MoN纳米多层涂层衍射峰强度逐渐减弱,d-MoN(202)衍射峰消失,涂层表面的大颗粒数量减少,表面质量得到改善。随着调制周期由45 nm减小到13 nm,涂层的硬度由29.4 GPa逐渐减小到25.5 GPa,当调制周期为8 nm时,CrWN/MoN纳米多层涂层硬度与弹性模量均达到最大值,分别为30.2 GPa和354.6 GPa。随着调制周期的减小,CrWN/MoN纳米多层涂层平均摩擦系数由0.45逐渐减小到0.29,磨损速率由4.2×10^?7 mm³/(N.m)逐渐减小到3.3×10^?7 mm³/(N.m)。结论 调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层性能影响较大,调制周期厚度为8 nm时,CrWN/MoN纳米多层涂层的硬度最大,耐磨性能最好。     

a-C∶H和ta-C涂层对7075铝合金的摩擦学特性

为了评估 a-C ∶H 和 ta-C 涂层应用于铝合金干式切削刀具表面防护的可行性,在 M2 高速钢基底上,用 RFPECVD 方法沉积 a-C ∶H 涂层,用磁过滤阴极真空电弧方法沉积了 ta-C 涂层。 通过热重试验观测两种涂层在升温过程中的质量变化。 将这两种涂层在大气环境退火,用拉曼光谱等方法表征涂层的结构,用纳米压痕法测量涂层硬度。 通过大气环境下的球盘摩擦磨损试验,比较 a-C ∶H 和 ta-C 涂层的对7075 铝合金摩擦学性能。 结果显示:经过 400 ℃退火,a-C ∶H 涂层硬度从24. 8 GPa 下降至 20. 0 GPa,ta-C 涂层硬度从 28. 7 GPa 增加至 30. 8 GPa;a-C ∶H 涂层对7075 铝合金的摩擦因数从 0. 17 下降至 0. 14,ta-C 涂层摩擦因数保持不变为 0. 12;a-C ∶H 涂层磨损率从1. 9×10 ^-15 m ²·N ^-1上升至 2. 4×10 ^-15 m ²·N ^-1 ,ta-C 涂层磨损率从 8. 0×10 ^-16 m ²·N ^-1上升至 9. 2×10 ^-16 m ²·N ^-1 。当采用 7075 铝合金为对偶摩擦件时,ta-C 具有比 a-C ∶H 涂层更低的摩擦因数和磨损率,而且随温度变化更稳定,因此 ta-C 是一种更有前途的铝合金干式切削刀具防护涂层。     

石墨烯量子点/纳米Al2O3协同生长润滑转移膜机制∗

为改善环氧树脂(EP)的摩擦学性能,将氮掺杂的石墨烯量子点(N-GQDs)和 Al2O3 纳米颗粒(Nano-Al₂O₃ )杂化物添加到环氧树脂中制备 EP 纳米复合材料。 利用 MRH-1A 摩擦试验机考察纳米复合材料在 PAO 油润滑条件下的摩擦磨损性能, 结合磨损表面的形貌及摩擦化学分析,研究界面转移膜的形成机理和润滑效应。 试验结果表明,3N-GQDs-1Nano-Al₂O₃ / EP 纳米复合材料获得了最好的摩擦学性能,其最低摩擦因数和磨损率分别为 0. 08 和 7. 4×10^-5 mm³ / Nm。 同时对偶金属表面上能够观察到一层均匀的转移膜,其中 C、N、O 元素主要分布于沟壑,而 N、Al 元素则集中于高台区域。 机理分析表明,N-GQDs 和 Nano-Al₂O₃ 有效促进了转移膜的生成,从而避免了摩擦界面的直接接触。     

沉积功率对Ce-Ti/MoS2复合涂层摩擦磨损性能的影响

目的 探究Ce-Ti合金靶功率对MoS2基涂层摩擦学性能的影响,制备干摩擦性能优异的MoS2基复合涂层。方法 采用直流与射频双靶非平衡共溅射技术,通过调节Ce-Ti(1∶1)靶功率控制涂层掺杂元素含量。利用原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等多种测试手段,分析合金靶功率对Ce-Ti/MoS2涂层微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响。结果 随着掺杂金属功率提升,MoS2基涂层由明显的晶体结构变为类似非晶结构;表面由纯MoS2的蠕虫状逐渐转化为细小团聚形貌,在达到90 W功率后团聚尺寸又逐渐粗大。当Ce-Ti靶(Ce的原子数分数为2.32%;Ti的原子数分数为7.21%)沉积功率达到70 W时,致密程度显著提高,由无掺杂多孔柱状晶变为细密柱状生长结构,纳米硬度达7.85 GPa,并明显改善了氧化现象。在摩擦磨损方面,70 W功率下磨痕呈微量的磨粒磨损,平均摩擦因数低至0.073,磨损率减少至9.42× 10^–8 mm³ N^–1m^–1。对偶钢球形成转移膜,有效减少摩擦过程剪切力。70 W条件下转移膜面积最小,且摩擦时磨痕处重组生成MoS2结构,显著减少材料的摩擦因数与磨损率。结论 磁控溅射Ce-Ti掺杂MoS2基涂层提升了涂层致密程度与摩擦磨损性能,在功率达到70 W时达到最优综合性能,涂层的摩擦因数与磨损率也因形成高质量转移膜而显著降低。     

Cu-Au多层膜力学性能的纳米压痕测试

采用纳米压痕仪研究了Cu-Au多层膜的硬度、弹性模量及其在压头下的变形行为。结果表明,随单层膜厚度(h)的减小,Cu-Au多层膜的弹性模量略有减小。Cu-Au多层膜的硬度随单层膜厚度的减小而增加,当h≥50 nm时,硬度随 线性增加;当h<50 nm时,硬度与 偏离了原来的线性关系,且硬度随 的增大而增大的趋势开始弱化。在单层膜厚度为25 nm的Cu-Au多层膜的压痕附近,出现了“挤出”和剪切带。     

不同h-BN含量Ni-P-WS2-BN化学镀层的组织结构及磨损性能

目的 通过化学镀共沉积技术在Ni-P-WS2镀层中引入六方氮化硼(h-BN)纳米粉末,以进一步提升其硬度和耐磨性,改善其摩擦学性能。方法 将六方氮化硼(h-BN)纳米粉末与二硫化钨(WS2)纳米粉末共沉积制备Ni-P-WS2-BN复合镀层,并对其进行400 ℃×1 h的惰性气氛热处理。采用扫描电镜、X射线衍射仪、摩擦磨损试验机等对镀层的化学成分、组织结构及摩擦学性能进行表征,考察h-BN用量及热处理对复合镀层的影响。结果 随着镀液中h-BN用量的增加,镀层中h-BN含量持续上升,镀层的表面粗糙程度先升高、后降低,胞块结构有致密化倾向,硬度由321HV0.1上升至522HV0.1,磨损率从1.82×10^–13 m³/(N.m)降至0.95×10^–13 m³/(N.m),平均摩擦因数介于1.61~2.00,且呈先降后升的趋势(h-BN用量为3.0 g/L时达到最小值)。经热处理后,镀层硬度可达457~822HV0.1,磨损率从1.24×10^–13 m³/(N.m)降至0.31×10^–13 m³/(N.m),平均摩擦因数降至0.93~1.29。复合镀层的磨损以磨粒磨损机制为主。结论 h-BN粉末的共沉积和400 ℃退火处理可显著提高复合镀层的硬度和耐磨性,大幅度降低摩擦因数和磨损率,改善复合镀层的综合性能。     

Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层制备及高温摩擦学行为研究

目的 基于表面耐高温薄膜和高承载金属陶瓷涂层性能优势协同的设计思想,制备Cr3C2-NiCr/ TiSiN-CrAlN复合涂层,提高硬质薄膜机械性能和不同温度下的摩擦学性能。方法 采用超音速火焰喷涂(HVOF)和电弧离子镀(AIP)技术制备Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层,通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、纳米压入仪、划痕仪和高温摩擦磨损试验机等对复合涂层的微观结构、机械性能和不同温度下的摩擦磨损行为进行系统研究。结果 Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层微观结构致密,界面结合良好,其顶层耐高温薄膜由CrAlN结合层和TiSiN-CrAlN交替多层构成,总厚度约6.7 μm,低于不锈钢表面直接沉积TiSiN-CrAlN薄膜的厚度(约9.6 μm)。Cr3C2-NiCr支撑层微观结构和形貌影响其表面沉积TiSiN-CrAlN薄膜的结晶性。Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层具有优异的机械性能,其纳米硬度和弹性模量分别高达(37.3±2.6)GPa和(506.1±10.6)GPa,结合力相比不锈钢表面TiSiN-CrAlN多层膜显著提高。得益于Cr3C2-NiCr支撑层的引入,复合涂层在不同温度下的摩擦因数和磨损率均比单一薄膜的低,其摩擦因数在900 ℃下可稳定保持在0.44左右,磨损率约为3.13×10^?5 mm³/(N.m),表现出良好的高温摩擦学性能。此外,磨损机制分析表明,500 ℃以下主要为磨粒磨损和黏着磨损,摩擦因数较大、不稳定,但磨损率基本不变;700 ℃时由于Cr3C2-NiCr层的支撑作用而无明显的疲劳磨损,氧化磨损发生;900 ℃时氧化磨损主导,摩擦界面生成主要成分为TiO2、Cr2O3的摩擦反应膜。结论 采用HVOF和PVD相结合的方法在不锈钢表面制备的Cr3C2-NiCr/TiSiN-CrAlN复合涂层具有良好的机械性能和优异的高温摩擦学性能,可进一步改善耐高温薄膜的综合性能,具有良好的应用前景。     

激光辅助热喷涂NiCoCrAlYTa/ZrO2/BaF2·CaF2涂层的组织及性能∗

高温耐磨涂层是航空发动机关键摩擦副可靠使用的重要保障,鉴于其服役环境日益严苛复杂,进一步提高涂层的高温耐磨性能是十分必要的。利用激光辅助热喷涂技术制备 NiCoCrAlYTa / ZrO₂ / BaF₂·CaF₂ 高温耐磨涂层,利用 SEM、EDS 分析高温耐磨涂层的横截面微观组织及化学成分,研究 ZrO₂ / BaF₂·CaF₂质量分数、激光功率及扫描速度对耐磨涂层微观组织、力学性能及高温耐磨性能的影响。结果表明：激光辅助处理可以诱导耐磨涂层表面形成具有树枝状结构的 ZrO₂陶瓷层; 当激光功率为 80 W,扫描速度为 8 mm / s,喷涂粉末为 75 wt.% NiCoCrAlYTa+25 wt.% ZrO₂ / BaF₂·CaF₂时,制备涂层的微观组织、综合力学性能及高温耐磨性能达到最好;在此工艺参数下,涂层顶部的 ZrO₂ 陶瓷层最为致密均匀,其平均纳米硬度为 13.6 GPa,平均弹性模量为 182.5 GPa,800 ℃时的磨损率为 2.7×10^?5 mm³ ·N^?1 ·m^?1 。将高温耐磨涂层的组分设计与激光辅助热喷涂工艺相结合,可为提高涂层综合性能的提供解决途径。     

CNx层厚度对DLC/CNx多层膜结构和力学性能的影响

为了降低DLC膜的内应力,提高其力学性能,采用磁控溅射法在Si(100)基体上交替沉积了不同CN_x层厚度的DLC/CN_x纳米多层膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、纳米压痕仪、涂层附着力划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机等分析了多层膜的微观组织、成键结构、力学和摩擦学性能。结果表明:所有DLC/CN_x多层膜均为非晶结构,结构致密,内应力低(约-475~-170 MPa),强化效应显著。随着CN_x层厚度的增大,CN_x膜内sp3键含量降低,DLC/CN_x多层膜的硬度和结合力逐渐降低,磨损率则逐渐上升。多层膜在真空和大气中的摩擦状态平稳,摩擦因数分别为0.16和0.2,CN_x层厚度的影响很小。CN_x层厚度为0.5 nm的多层膜的硬度可达36.9 GPa,结合力为27 N,在两种测试环境中均具有优异的摩擦学性能。     

Fabrication, microstructure and tribological behavior of pulsed laser deposited a-CNx/TiN multilayer films

a-CN_x/TiN multilayer films were deposited onto high-speed steel substrates by pulsed laser ablation of graphite and Ti target alternately in nitrogen gas. The composition, morphology and microstructure of the films were characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. The tribological properties of the films in humid air were investigated using a ball-on-disk tribometer. The multilayer films consist of crystalline TiN, metallic Ti and amorphous CN_x (a-CN_x). With an increase in thickness ratio of CN_x to bilayer, the hardness of multilayer film decreases, friction coefficient decreases from 0.26 to 0.135, and wear rate increases. The film with thickness ratio of CN_x to bilayer of 0.47 exhibits a maximum hardness of 30 GPa and excellent wear rate of 2.5 × 10^− 7 mm³ N^− 1 m^− 1. The formation of tribo-layer was observed at contact area of Si₃N₄ ball. The film undergoes the combined wear mechanism of abrasion wear and adhesion wear.     

Microstructure, mechanical and tribological properties of CrN/W2N multilayer films deposited by DC magnetron sputtering

CrN/W₂N multilayer films with various bilayer periods of 15-85 nm were deposited on high speed steel (W18Cr4V) substrates by means of DC closed field unbalanced magnetron sputtering. The morphology and microstructure of the multilayer films were investigated by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). The mechanical and tribological properties were evaluated using a nanoindentor, Rockwell and scratch tests and a conventional ball-on-disk tribometer, respectively. There were some transverse grains at the layer interface and the interface between the CrN and W₂N layers was not so sharp owing to atom diffusion through the interface. In the bilayer period range, the microhardness, elastic modulus and adhesive strength of the CrN/W₂N multilayer films increased with the decrease of bilayer period. The CrN/W₂N multilayer film with a bilayer period of 15 nm showed the highest hardness (29.2 GPa), elastic modulus (376 GPa) and best adhesion strength, it also had the highest wear resistance and lowest friction coefficient.     

高功率脉冲磁控溅射制备纳米复合高熵碳化物(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜EI北大核心CSCD

高熵碳化物薄膜的脆性限制了其在高承载、长周期服役条件下的应用。精细设计的纳米复合结构可以在不损失薄膜强度前提下显著提高薄膜的韧性。采用高功率脉冲磁控溅射技术制备以非晶为基体连续相,以碳化物陶瓷相为分散相的非晶-晶体的高熵碳化物(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜,研究不同C_(2)H_(2)气体流量(F_(C))对薄膜成分、结构、力学性能和摩擦学性能的影响。采用能谱仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、X射线光电子能谱分析薄膜的成分、形貌、结构及各元素的化学状态,进一步采用纳米压痕以及球-盘式摩擦磨损试验机对薄膜的硬度、模量和摩擦磨损性能进行表征。结果表明,随着乙炔气体流量的增加,薄膜中碳含量逐渐增加,结构从非晶转变为非晶-晶体的纳米复合结构。纳米复合结构薄膜的硬度随着乙炔流量的增加逐渐增加,这是因为薄膜中生成大量碳化物陶瓷相,薄膜硬度最高为20 GPa。纳米复合薄膜呈现优异的摩擦学性能,在F_(C)=3 mL/min时,薄膜的摩擦性能达到最优,其磨损量为2.9×10^(-6)mm^(3)/Nm。综上,采用高功率脉冲磁控溅射技术可以精细调控薄膜结构,制备出强韧一体化、耐磨减摩的纳米复合结构(CuNiTiNbCr)C_(x)薄膜。     

脉冲偏压对直流磁控溅射沉积MoN薄膜结构及性能的影响

MoN薄膜是一种具有潜在应用价值的薄膜材料,但对于其结构和性能的研究还较少。采用直流磁控溅射技术在304不锈钢基体表面沉积MoN薄膜,研究了脉冲偏压对MoN薄膜结构和性能的影响,并系统研究了MoN薄膜在不同摩擦条件下的摩擦磨损行为。采用X射线衍射仪和扫描电镜分析薄膜的晶相结构、晶粒尺寸、表面及断面形貌,采用HMV-2T显微硬度仪测试薄膜的显微硬度。采用UMT-TriboLab多功能摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦磨损性能,并用扫描电镜观察磨损表面,分析其磨损机制。结果表明：脉冲偏压显著影响直流磁控沉积的MoN薄膜的晶相结构、表面形貌、断面结构、硬度和摩擦磨损性能;随脉冲偏压的增大,MoN薄膜的膜厚、硬度都先增大后减小,而薄膜的磨损率却先减小后增大,其中-500 V脉冲偏压下沉积的MoN薄膜具有最高硬度为7731 N/mm²,以及最低的磨损率为5.8×10^-7 mm³/（N·m）。此外,MoN薄膜在不同载荷和转速的摩擦条件下表现出不同的摩擦学行为。     

Mechanical and tribological properties of TiN/Ti multilayer coating

A large area filtered arc deposition (LAFAD) technique was used to deposit TiN/Ti multilayer coatings with fixed TiN layer thickness and different Ti layer thickness. Nanoindention and pin-on-disk tribometer were used to characterize the hardness, elastic modulus, plasticity, friction coefficient, and wear rate of the multilayer coatings. The dependence of the mechanical and tribological properties of the coating on the Ti interlayer thickness was systematically studied. It was found that the increase in the Ti layer thickness resulted in a decrease in the effective hardness and elastic modulus, and an increase in the wear rate, plasticity, and toughness. The coatings with a Ti layer thicknesses of 0, 25 nm and 50 nm possess an excellent combination of high effective hardness (> 20 GPa), high plasticity (> 69%), low friction coefficient, and high wear resistance.     

多弧离子镀沉积Ti/TiN多层薄膜的摩擦磨损及电化学性能

软硬交替多层结构的薄膜因其优异的抗摩擦磨损性能和耐腐蚀特性使其在工程领域具有重要的应用价值。利用多弧离子镀在不锈钢和Si(100)表面沉积了Ti N单层薄膜和3种不同Ti/Ti N调制比的多层膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、CSM摩擦磨损试验机和电化学工作站分别分析了薄膜的结构特征、耐磨损性能和电化学性能。结果表明:多层膜层状结构明显,Ti N相出现(111)面择优取向;Ti与Ti N沉积时间比为1∶5的样品具有较低的摩擦因数(0.26)和磨损率(6.6×10–7 mm3·N–1·m–1);在3.5%Na Cl溶液中,多层膜样品的腐蚀电流密度较不锈钢基体降低了两个数量级,腐蚀电位较不锈钢基体明显提高,表明多层膜可以提高不锈钢基体的耐腐蚀性。     

Mechanical properties and friction−wear characteristics of VN/Ag multilayer coatings with heterogeneous and transition interfaces

The heterogeneous multilayer interface of VN/Ag coatings and transition multilayer interface of VN/Ag coatings were prepared on Inconel 781 and Si(100), and the microstructures, mechanical and tribological properties were investigated from 25 to 700 °C. The results showed that the surface roughness and average grain size of VN/Ag coatings with transition multilayer interface are obviously larger than those of VN/Ag coatings with heterogeneous multilayer interface. The coatings with transition multilayer interface have higher adhesion force and hardness than the coatings with heterogeneous multilayer interface, and both coatings can effectively restrict the initiation and propagation of microcracks. Both coatings have excellent self-adaptive lubricating properties with a decrease of friction coefficient as the temperature increases, but their wear rates reveal a drastic increase. The phase composition of the worn area of both coatings was investigated, which indicates that a smooth Ag, Magnéli phase (V₂O₅) and bimetallic oxides (Ag₃VO₄ and AgVO₃) can be responsible to the excellent lubricity of both coatings. To sum up, the coatings with transition multilayer interface have excellent adaptive lubricating properties and can properly control the diffusion rate and release rate of the lubricating phase, indicating that they have great potential in solving the problem of friction and wear of mechanical parts.