轴对称磁场对电弧离子镀TiN薄膜结构及摩擦性能的影响

利用轴对称磁场增强电弧离子镀工艺制备TiN薄膜,对薄膜表面大颗粒尺寸、数量及大颗粒与薄膜的面积比进行了分析统计,研究了轴对称磁场横向分量强度对薄膜表面大颗粒尺寸和数量、薄膜组织结构及摩擦性能的影响,结果表明,随着轴对称磁场横向分量强度的增加,大颗粒的尺寸和数量大幅度减少,不同尺寸大颗粒的形貌差别很大,TiN薄膜的(111)择优取向增强,薄膜的晶粒尺寸减小且分布均匀:同时,薄膜的摩擦系数及其随时间的波动减小,耐磨性增强.     

NiCr和TiAl合金靶材阴极电弧弧斑的运动特性

研究采用多弧离子镀技术镀膜时,电弧放电阶段中电弧弧斑的运动对后续膜层质量与靶材烧蚀有着非常重要的影响,目前很少有弧斑运动相关的研究。研究通过外加脉冲磁场以实现对阴极靶面磁场分布的精确调控,探究了磁场分布对弧斑运动的影响,并结合分形理论分析弧斑的运动轨迹,系统研究了电弧放电过程中靶面电弧弧斑的运动特性。结果表明,在永磁铁磁场与脉冲磁场共同作用下,弧斑在原有的随机运动基础上叠加了反安培力方向的旋转运动与向靶沿扩散的漂移运动。随着靶面总磁场强度的上升,弧斑平均运动速度增加,弧斑寿命变短;弧斑运动范围可控,最大运动范围可覆盖靶面的90％以上;分形维数可控,镍铬合金靶和钛铝合金靶弧斑轨迹图像的最大分形维数可分别为1.145和1.159,对应靶材烧蚀区域面积达到92％。通过改进工艺参数,能够显著减少大颗粒污染并提升膜层质量,同时通过维数可预测靶材烧蚀情况,能更高效地利用靶材。     

轴向磁场对电弧离子镀TiN薄膜组织结构及力学性能的影响

为了研究轴向磁场对薄膜结构及力学性能的影响规律,采用电弧离子镀方法在高速钢基体上沉积了TiN薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、轮廓仪和纳米压痕仪考察了外加轴向磁场对薄膜化学成分、组织结构、硬度及弹性模量的影响。结果表明:外加轴向磁场对TiN薄膜的组织结构及力学性能有明显影响。磁场强度越高,薄膜表面颗粒及溅射坑越大,薄膜表面粗糙度增大;薄膜中N含量随着磁场强度增加而增大,而Ti含量则显示出相反的趋势;磁场对薄膜择优取向有明显影响,随着磁场强度增加,薄膜(111)取向增强,而后逐渐转变为(220)择优;薄膜硬度和弹性模量随着磁场强度增加先增加而后降低,在磁场强度为50Gs时分别达到最大值28.4GPa与415.4GPa。     

弧电流对电弧离子镀沉积超硬ta-C薄膜的影响

用电弧离子镀设备,以获得超硬四面体非晶ta-C薄膜为目的,通过改变弧电流,在硬质合金基体上沉积制备了5组类金刚石DLC薄膜,主要考察弧电流对薄膜结构、性能以及获得超硬ta-C薄膜的影响规律。采用SEM、Raman、XPS、纳米压痕以及摩擦磨损仪分别表征了薄膜的形貌、结构、力学性能以及摩擦性能。结果表明：当弧电流为30 A时,薄膜表面最为平整致密、大颗粒数量最少,Raman谱的I_D/I_G值最小为0.87、sp^₃键含量最大为64%,薄膜的硬度和弹性模量最大分别为56.7 GPa和721.1 GPa、弹性恢复系数高达58.9%,且薄膜的摩擦系数最小为0.073,表明此时获得了具有优异综合性能的超硬ta-C薄膜;但随着弧电流的增加,薄膜表面变得疏松多孔、表面大颗粒增多,I_D/I_G增大、sp^₃键含量减小,薄膜的硬度H和弹性模量E逐渐减小,薄膜的摩擦系数也逐渐增大、摩擦性能大大降低,此时薄膜又归于呈现普通的性能一般的DLC薄膜特征。分析表明,若用电弧离子镀技术制备性能优异的超硬四面体非晶ta-C薄膜,需控制薄膜在较小的离子通量下沉积生长,为此需选择较小的弧电流方能实现。     

电弧离子镀沉积磁性薄膜的研究

研究了电弧离子镀磁性靶材使用过程中发生"跑弧"并导致靶材无法稳定刻蚀的问题.利用有限元方法(FEM)对外加磁场下非磁性靶材系统和磁性靶材系统中的磁场分布进行了模拟.研究了外磁场对电弧斑点运动的影响机理,并结合电弧斑点放电的物理机制,探讨了磁性靶材与低饱和蒸气压金属靶壳、绝缘陶瓷靶壳或软磁性金属靶壳组成复合结构靶材解决磁性靶材使用问题的可行性.结果表明,这3种复合结构靶材设计方案均能有效解决电弧离子镀磁性靶材"跑弧"问题.通过实验得到,在低饱和蒸气压金属或绝缘陶瓷靶壳设计方案里,靶材频繁引弧到弧斑能受控运动的转变温度为(136.6±23.0)℃.     

外加磁场下的焊接电弧运动分析

从磁场作用下带电粒子的运动出发,运用物理学的知识分析了TIG焊接电弧中的带电粒子分别在横向磁场和纵向磁场中的运动机制及电弧形态.在横向直流磁场中,焊接电弧整体偏向一侧;在横向交变磁场中,焊接电弧呈左右摆动状态;在纵向直流磁场中,焊接电弧中带电粒子作绕轴线的高速螺旋运动,焊接电弧整体呈钟罩型.详细推导TIG焊接电弧中的带电粒子分别在横向直流磁场中的偏转幅度和在纵向直流磁场中的扩展幅度,继而推测整个焊接电弧的实际运动状态,对实际生产过程有一定参考价值.     

偏压对多弧离子镀TiN膜层的影响

主要运用多弧离子镀技术研究了偏压对不锈钢基片上镀制的ＴｉＮ膜层的影响，运用扫描电子显微镜，Ｘ－射线衍射仪和附着力测定仪研究了膜表面的钛滴，针也，膜的的取向和临界载荷等性能。结果表明：低偏压下膜表面的针孔密度较小，高偏压下钛滴趋于细化。划痕试验表明：在１５０－２００Ｖ偏压下膜层的临界载荷最佳。     

负偏压对电弧离子镀复合TiAlN 薄膜的影响

采用电弧离子镀技术,以W18Cr4V高速钢为基体,调整基体负偏压,制得多个复合TiAlN薄膜试样,研究了基体负偏压对薄膜微观组织形貌、物相组成、晶格位向、硬度、厚度和沉积速率的影响。结果表明,过高或过低的负偏压会使得膜层表面不平整,显微硬度下降。当负偏压为200 V时,膜层的沉积速率最大;负偏压为150 V时,有利于薄膜(111)晶面的择优取向生长,且TiAlN膜的硬度最高。     

磁场模拟在磁控溅射/阴极弧离子镀中的应用

针对磁控溅射和阴极弧离子镀沉积技术存在的局限性,采用有限元分析方法(Finite element method,FEM)进行磁场模拟,优化设计外加电磁线圈的结构和磁场分布位形,并应用于磁控溅射沉积透明导电氧化物和阴极弧离子镀沉积硬质薄膜中。分析了外加电磁线圈磁场对磁控溅射等离子体辉光变化、磁控靶磁场平衡度/非平衡度、以及线圈位置对等离子体特性和靶材利用率的影响。设计和制作了轴对称磁场和旋转磁场,研究了它们对阴极弧离子镀弧斑运动形貌和薄膜表面大颗粒等特性的影响。通过控制弧斑运动状态,可以得到不同程度的颗粒分布,实现颗粒的可控沉积,减少薄膜表面大颗粒的污染。     

偏压对电弧离子镀薄膜表面形貌的影响机理

在不同偏压下用电弧离子镀沉积TiN薄膜，采用扫描电子显微镜(sEM)观察薄膜表面大颗粒污染情况，并分析偏压对大颗粒的影响．结果表明，偏压对大颗粒的影响主要来自电场的排斥作用．直流偏压下，等离子体鞘层基本稳定，电子对大颗粒表面充电能力很弱，而脉冲偏压下，由于鞘层厚度不断变化，大颗粒不断进出于鞘层，电子对大颗粒表面的充电能力强，使其所带负电荷明显增多，受到基体的排斥力变大，大颗粒不易沉积到基体而使薄膜形貌得到有效改善．     

旋转磁场作用下的TIG焊电弧运动特征

将旋转磁场应用于TIG焊电弧,用高速摄像研究了励磁转换频率、励磁电流大小以及励磁相序对TIG焊电弧运动特征的影响规律,并分析了这些磁场参数改变电弧运动行为的原因.     

离子束辅助轰击对电弧离子镀沉积TiAlN膜层的影响

采用俄罗斯UVN 0.5D2I离子束辅助电弧离子镀沉积设备,在高速钢W18Cr4V基材上沉积TiAlN膜层;利用N离子束对膜层沉积之前的预处理和膜层沉积时的辅助轰击,并用SEM、X射线衍射和力学测试等手段研究了N离子束轰击对膜层表面形貌、相结构、显微硬度影响.结果表明:N离子束的预处理在基材表面形成了一定厚度N的过渡层;N离子束对膜层的辅助轰击,明显地降低了膜层表面"大颗粒"的密度,改善了膜层的表面形貌;同时,形成了由过渡层成分与膜层成分动态混合的扩散层;无N离子轰击时,TiAlN膜层是由(TiAl)N相和Ti2AlN相组成;轰击能量为7.5 keV时,TiAlN膜层也是由(TiAl)N相和Ti2AlN相组成,但(TiAl)N(111)取向减弱,而(200)和(220)取向均增强;Ti2AlN(211)及(301)取向均减弱.N离子束辅助轰击,使膜层的显微硬度由原来的21 GPa提高到25.3 GPa.     

电极材料组织对真空电弧阴极斑点运动行为的影响

真空电弧在非晶、纳米晶及常规粗品电极合金表面微观分布的观测表明,电极材料显微组织对电弧阴极斑点几何性质和运动行为有明显影响．阴极斑点优先在材料承载电压能力低的弱相表面形成,弱相尺寸、形貌和分布决定了阴极斑点的几何特征．显微组织大幅度细化时,电弧在电极表面分散和快速运动,非晶合金表面仍保持完全非晶结构．分析表明,当材料特征显微组织尺寸小于阴极斑点尺寸时,阴极斑点运动模式从跳跃式运动转变为连续式运动．电极材料组成相的浓度及其尺寸是决定阴极斑点微观迁移方式的重要因素．     

STUDY ON HIGH TEMPERATURE PERFORMANCES OF MCrAlX COATINGS DEPOSITED BY MULTI ARC ION PLATING

１．ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＧａｓｔｕｒｂｉｎｅｅｎｇｉｎｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｉｎｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｕｓｅｄｉｎｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｓｍａｙｂｅｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏａｒａｎｇｅｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｄｅｐｅｎｄｉｎｇｕｐｏｎｔｈｅｉｒｌｏｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅａｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｕｎｉｔ．…     

脉冲偏压电弧离子镀鞘层尺度演化的特性与分析

基于一维平板鞘层模型,建立了脉冲偏压电弧离子镀（PBAIP）鞘层随时间演化的动力学模型,给出了其解析表达式,并结合PBAIP工艺中等离子体参数的测量结果,模拟分析了PBAIP鞘层的厚度和鞘层中的离子流密度随时间的演化规律及其受脉冲偏压幅度等参数的影响．结果表明：在PBAIP工艺中,稳态鞘层的厚度及形成稳态鞘层的时间均远小于已报道的等离子体源注入（PSII）等鞘层对应的值;PBAIP鞘层的扩展几乎是实时跟随脉冲偏压的变化,脉冲偏压下每一时刻的鞘层厚度与对应直流偏压下的鞘层厚度几乎相等．     

脉冲偏压对电弧离子镀Ti/TiN纳米多层薄膜显微硬度的影响

采用脉冲偏压电弧离子镀方法在高速钢基体上沉积Ti／TiN纳米多层薄膜,采用正交实验法设计脉冲偏压电参数,考察脉冲偏压对Ti／TiN纳米多层薄膜显微硬度的影响．结果表明,在所有偏压参数（脉冲偏压幅值、占空比和频率）和几何参数（调制周期和周期比）中,脉冲偏压幅值是影响显微硬度的最主要因素;当沉积工艺中脉冲偏压幅值为900V、占空比为50％及频率为30kHZ时,薄膜硬度可高达34．1GPa,此时多层膜调制周期为84nm,TiN和Ti单元层厚度分别为71和13nm;由于薄膜中的单层厚度较厚,纳米尺寸的强化效应并未充分体现于薄膜硬度的贡献中,硬度的提高主要与脉冲偏压工艺,尤其是脉冲偏压幅值对薄膜组织的改善有关．     

空心阴极离子镀TiAlN复合薄膜结构及抗氧化性能的研究

利用IPB30/30T型空心阴极离子镀膜机并改变蒸发源料中Ti、Al的比例,在不锈钢表面沉积了不同Al含量的TiAlN薄膜;电子探针分析结果表明涂层为内层富铝,外层富TiN的梯度涂层;X-ray衍射分析表明,薄膜相结构主要为δ-TiN的B1NaCl结构,薄膜的择优取向随着镀料中Al含量的增加由(111)向(220)转变.与TiN相似,TiAlN薄膜为柱状晶结构,但Al的引入使薄膜中使针孔数量和直径减小,致密性改善.600℃～800℃下静态空气中恒温氧化实验表明,TiN和TiAlN薄膜氧化时都在表面形成金红石结构的TiO2,但添加Al的薄膜具有比TiN薄膜更好的抗氧化性.扫描电镜观察表明,添加Al的薄膜表面的氧化膜平整致密,无孔洞;而TiN薄膜在氧化过程中形成数量众多的孔洞.600℃时在NaCl和水蒸气的综合作用下,不锈钢基体材料腐蚀严重,TiN涂层对不锈钢基体有一定的保护作用,但其表面腐蚀产物部分脱落,出现大量的腐蚀空洞,而TiAlN涂层表面腐蚀产物均匀致密,无明显空洞.加入Al引起薄膜结构的改善可能是薄膜抗氧化性和抗腐蚀性提高的原因.