溅射能量对WC/a-C:H薄膜结构与性能的影响

为探究溅射能量对WC/a-C:H薄膜结构与性能的影响,并讨论WC掺杂对a-C:H薄膜的影响。通过非平衡磁控溅射+等离子体增强化学气相沉积法(UBMS+PACVD),以WC靶作为溅射靶,C_2H_2为反应气体,通过调制溅射靶电流,在316不锈钢基体上制备WC/a-C:H系列薄膜。用场发射电镜、透射电镜、X射线衍射仪、XPS、拉曼光谱等对薄膜的微观结构和成分进行表征,用划痕仪、纳米硬度仪测试了薄膜的力学性能,用多功能摩擦机对薄膜的摩擦学性能进行分析。结果表明:WC主要以β-WC_(1-x)纳米晶的形式均匀分布在非晶碳中,随着溅射靶电流的上升,薄膜中W含量和膜基结合力呈上升趋势,在11A时上升至21.9%(摩尔分数)和18.6 N,而I_D/I_G比值和硬度逐渐降低至0.55和11 GPa。溅射靶电流为4 A时,WC/a-C:H薄膜表现出较好的磨损性能,摩擦因数低至0.15,磨损率为5.38×10~(-7) mm~3/(N?m)。     

Zn靶与掺铝ZnO靶共溅射制备ZnO:Al薄膜及其性能

采用Zn靶和ZnO(掺2%Al2O3(质量分数))陶瓷靶在玻璃衬底上共溅射沉积Al掺杂ZnO薄膜,即ZnO:Al透明导电薄膜,研究Zn靶溅射功率(0～90 W)和衬底温度(室温、100℃和200℃)对薄膜结构、形貌、光学和电学性能的影响。结果表明:按双靶共溅射工艺制备的ZnO:Al薄膜的晶体结构均为六角纤锌矿结构,且随着Zn靶溅射功率的增加,薄膜的结晶质量呈现出先改善后变差的规律,薄膜中的载流子浓度逐渐升高,电阻率逐渐降低,而薄膜的光学性能受其影响不大;随着衬底温度的升高,薄膜的结晶性能得到改善,薄膜的可见光透过率增强,电阻率降低。     

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。     

磁控溅射CoCrFeNi高熵合金薄膜的硬度和电阻率研究

目的 研究溅射功率对CoCrFeNi高熵合金薄膜硬度和电阻率的影响,期望获得同时具有高硬度和高电阻率的高熵合金薄膜,为其在电阻薄膜领域的应用提供实验基础。方法 在不同溅射功率条件下（40、60、80、100 W）,利用CoCr合金靶、Ni片和Fe片拼接成合金靶,采用磁控溅射法在硅基底表面沉积CoCrFeNi高熵合金薄膜。利用XRD分析薄膜相结构,通过SEM分析薄膜成分和形貌,利用显微硬度计测量薄膜硬度,采用双电测四点探针法测定薄膜电阻率。结果 不同溅射功率下制备的CoCrFeNi薄膜均与基底结合良好,呈柱状生长模式,且合适的溅射功率有助于获得等摩尔比高熵合金薄膜。随着溅射功率由40 W升高至100 W,薄膜结晶性得到改善,形成简单的FCC相,（111）择优生长更加强烈,柱状生长愈加明显,晶粒尺寸增大,硬度和电阻率降低。结论 溅射功率对CoCrFeNi薄膜组织和性能具有重要影响。当溅射功率为40 W时,CoCrFeNi薄膜同时具有最高硬度和最大电阻率,其值分别为940.5HV和336.5 μΩ?cm。     

共溅射法制备AZO薄膜及其光电性能的研究

目的研究Al靶直流溅射功率对Al掺杂ZnO(AZO)薄膜光电性能的影响。方法以金属Al和ZnO陶瓷作为靶材,采用直流与射频双靶磁控共溅射的方法,在玻璃基片上制备AZO薄膜。通过改变Al靶直流溅射功率,获得不同的薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、四探针测试仪,对薄膜的微观形貌结构及光电性能进行表征和分析。结果所制备的AZO薄膜均具有C轴取向生长的六角纤锌矿结构,在可见光区域平均透过率超过90%,AZO薄膜的吸收边相比于ZnO薄膜出现了蓝移。当Al靶溅射功率为18 W时,AZO薄膜的最低电阻率为2.49×10~(-3)?·cm,品质因子为370.2 S/cm。结论 Al直流溅射功率对AZO薄膜光电性能的影响较大,溅射功率为18 W时,制备的AZO薄膜性能最优。     

磁控溅射工艺对CrN薄膜及其腐蚀行为的影响

通过磁控溅射技术制备了CrN薄膜,使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等方法研究了N2分压、溅射功率以及夹杂物数量对CrN薄膜结构、成分、耐蚀性能的影响。结果表明,提高N2分压能增加CrN相的含量,且CrN基体有明显的(111)和(200)面取向;降低溅射功率有利于使更多的Cr参与反应,生成更多的CrN。此外,夹杂物数量对薄膜质量有重大影响,夹杂物处不易镀上膜导致其耐蚀性明显下降。     

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...     

溅射功率对不锈钢衬底ZnO∶Al薄膜性能的影响

采用直流磁控溅射技术,以掺Al为2%的Zn O陶瓷靶为靶材,通用的304不锈钢为衬底,制备了一系列Zn O∶Al薄膜,研究了溅射功率对样品薄膜结构和表面形貌、光学特性的影响。结果表明:制备的薄膜都为六方纤锌矿结构,并有高度的c轴择优取向;溅射功率对薄膜的性能有显著的影响,即随着溅射功率的增大,从35 W到80 W,晶粒尺寸先增大后减小,薄膜表面陷光结构先变好后变坏,最优值出现在溅射功率为65 W时,此时薄膜对波长小于360 nm的光吸收率约为91%。     

Zr靶功率对(WMoTaNb)ZrxN薄膜微观组织及性能的影响

目的 提高(WMoTaNb)ZrxN薄膜的硬度与弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损及抗烧蚀性能。方法 采用反应磁控溅射技术,通过对Zr靶功率的调控,在单晶Si和M2高速钢基体上制备不同Zr含量的(WMoTaNb)ZrxN薄膜。采用FESEM对薄膜的表面及截面形貌进行观察,利用XRD对薄膜的物相组成进行分析,采用纳米压痕仪、划痕仪和摩擦磨损试验机分别对薄膜的硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行表征,通过氧–乙炔烧蚀试验对薄膜的抗烧蚀性能进行测定。结果 (WMoTaNb)ZrxN薄膜主要由FCC和BCC固溶体结构组成,Zr元素引入后,薄膜FCC(200)晶面衍射峰消失,FCC(111)与(311)晶面衍射峰强度增强。随着Zr靶功率的增加,薄膜中Zr元素含量逐渐增加,薄膜的硬度与弹性模量先增大、后减小,膜基结合力呈现不规律变化,薄膜的抗烧蚀性能逐渐提升。薄膜的摩擦系数随着Zr靶功率的增加而增大,但维持在0.65~0.95。当Zr靶功率为40 W时,制备的薄膜硬度、弹性模量及膜基结合力均达到最大,分别为27.9 GPa、291.3 GPa、84 N,此时薄膜的磨痕深度最小为227 nm。结论 Zr靶功率为40 W时制备的薄膜硬度、弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损与抗烧蚀性能最佳。     

TiVCN复合膜的微结构、力学性能与摩擦磨损性能研究

采用多靶磁控溅射技水,分别利用不同V靶功率和石墨靶功率制备一系列不同V含量和C含量的TiVN和TiVCN复合膜.利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损仪研究了TiVN和TiVCN复合膜的微结构、力学性能及室温和高温摩擦磨损性能.研究表明,当V靶功率为60 W时,TiVN薄膜的硬度达到最大值,为25.02 GPa.在此基础上逐渐加入C元素,当石墨靶功率为20 W时,TiVCN薄膜的硬度达到最大值,为28.51 GPa.当石墨靶功率进一步增加,薄膜的硬度值开始逐渐降低.室温下,随着石墨靶功率的增加,TiVCN薄膜的摩擦系数逐渐减小.高温下,TiVCN复合膜的摩擦系数随着温度的升高先增加后减小,在700℃时获得最小值,当温度继续升高摩擦系数又增加.讨论了高温下TiVCN复合膜Magneli相的作用和自适应机制.     

磁控溅射MoS2-Ni复合膜的结构与性能研究

目的提高MoS_2薄膜在大气环境下的摩擦学性能。方法采用离子源复合磁控溅射技术制备了Mo S2-Ni复合膜,通过改变Ni靶功率获得不同Ni掺杂量的复合膜,研究不同Ni掺杂量对复合膜结构及摩擦学性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、洛氏硬度计、球-盘式摩擦磨损试验机以及3D轮廓仪,对复合膜显微结构和性能进行研究。结果复合膜以柱状晶结构生长,增加Ni含量可以细化晶粒,使复合膜的结构更加致密。复合膜硬度在250~446HV之间,且随Ni含量的增加,复合膜的硬度提高。复合膜具有良好的膜/基结合力,结合力达到HF1级。MoS_2-Ni复合膜的摩擦系数在0.10~0.23之间,随Ni含量的增加,虽然复合膜的摩擦系数增加,但由于磨损过程形成稳定的转移膜粘着在对磨球表面,因而使得磨损率降低,耐磨寿命提高。结论 Ni掺杂可以提高复合膜的致密度、硬度以及结合力,增强复合膜的耐磨性能。     

Zr掺杂类金刚石薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能的影响

目的改善不锈钢摩擦性能及耐腐蚀性能。方法通过线性阳极层离子源辅助非平衡磁控溅射法,制备了不同Zr含量的类金刚石(DLC)薄膜,采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、纳米硬度仪、高温销盘磨损仪、电化学工作站,对薄膜的化学成分、显微结构、纳米硬度、薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能进行测试研究。结果随着Zr靶功率的增大,Zr含量线性增加。Zr含量从4.9%增加至16.3%时,I_D/I_G增大,薄膜硬度从12.1 GPa逐渐下降至8.4 GPa;Zr含量增大至21.2%时,I_D/I_G减小,薄膜硬度增大至11.4 GPa。涂镀类金刚石薄膜的不锈钢基体比无涂层的不锈钢基体有更低的摩擦系数,更好的耐磨损性能。Zr掺杂DLC薄膜的最小摩擦系数为0.07。Zr含量从4.9%增加至16.3%,DLC薄膜的耐腐蚀性能减弱;Zr含量继续增加,DLC薄膜的耐腐蚀性能增强。当Zr含量不大于11.9%时,沉积Zr掺杂DLC膜的不锈钢基体的耐腐蚀性能比不锈钢基体的更强。结论 Zr含量不大于11.9%时,Zr掺杂类金刚石薄膜既可以有效地改善不锈钢基体的摩擦磨损性能,又可以大幅提高耐腐蚀性能。     

N2流量比对复合磁控溅射Zr-B-N薄膜结构和性能的影响

目的 在反应沉积时补充金属离子,增加薄膜中金属氮化物硬质相的数量,优化复合磁控溅射Zr-B-N薄膜的制备工艺,揭示N2流量比（N2/(N2+Ar)）对Zr-B-N薄膜结构和性能的影响规律,进一步强化Zr-B-N纳米复合薄膜。方法 采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术沉积Zr-B-N薄膜,借助X射线衍射仪、能谱仪、扫描电镜、纳米压痕仪、划痕测试仪和摩擦试验机,研究N2流量比对Zr-B-N薄膜成分、微观结构、力学性能和摩擦性能的影响。结果 Zr-B-N薄膜具有典型的纳米复合结构,即BN非晶层包裹着ZrB2、Zr3N4、Zr2N、ZrN等纳米晶,所有Zr-B-N薄膜均沿（100）晶面择优生长。随着N2流量的增加,（100）晶面的衍射峰宽化加剧;薄膜硬度由36.2 GPa下降到21.0 GPa;膜/基结合力逐渐增强,临界载荷从34.8 N增加到55.8 N;摩擦系数逐渐增大。当N2流量比为42.9%时,摩擦系数相对较低,约为0.48,归因于薄膜内形成了沿（220）晶面生长的ZrN相,从而起到了良好的减摩作用。结论 当N2流量比为42.9%时,Zr-B-N薄膜具有纳米复合结构和良好的各项性能。     

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。     

Deposition and Characterization of Tungsten Carbide Thin Films by DC Magnetron Sputtering for Wear-Resistant Applications

In this study, WC (tungsten carbide) thin films were deposited on high-speed steel (AISI M2) and Si (100) substrates by direct current magnetron sputtering of a tungsten carbide target having 7% cobalt as binding material. The properties of the coatings have been modified by the change in the bias voltages from grounded to 200 V. All the coatings were deposited at 250°C constant temperature. The microstructure and the thickness of the films were determined from cross-sectional field-emission gun scanning electron microscope micrographs. The chemical composition of the film was determined by electron probe micro analyzer. The x-ray diffractometer has been used for the phase analyses. Nanoindentation and wear tests were used to determine the mechanical and tribological properties of the films, respectively. It is found that the increase in the bias voltages increased drastically the hardness and elastic modulus, decreased the friction coefficient values and increased the wear resistance of tungsten carbide thin films by a phase transformation from metallic W (tungsten) to a nonstoichiometric WC_1?x (tungsten carbide) phase.     

Improvement of the wear resistance of Ti-based coating sliding against copper alloy

The multilayer coating, Ti10%-C:H/TiC/TiCN/TiN, was deposited on cemented tungsten carbide (WC-Co) substrate by an unbalanced magnetron sputtering system. Tribological characteristics of this coating were compared with the coatings of TiN, TiCN, and TiC/TiCN/TiN deposited on WC-Co substrates and the WC -Co substrate itself. The coating displayed excellent tribological properties, i.e., both low value and smooth curve of friction coefficient, and also, compared with the other tested materials, yielded the lowest wear depth when sliding against bronze under dry conditions. The coating thus protects against the high wear experienced when Ti-based coatings rub against copper alloy.     

Microstructure and mechanical properties of W-C:H coatings deposited by pulsed reactive magnetron sputtering

Reported are results of microstructure, mechanical and tribological properties studies for thin, amorphous hydrogenated carbon based coatings with tungsten content from 4.7 at.% up to 10.3 at.%. Studied coatings have been deposited by pulsed, reactive magnetron sputtering on substrates under planetary rotation. Resulting coatings, characterized by transmission electron microscopy (TEM) also at high resolution (HREM), show multilayer structure consisting of sub-layers of W-C:H type, with alternately high and low tungsten concentration. Thickness and number of sub-layers depend on rotation speed of planetary substrate holder. An average tungsten concentration decreases with increasing partial pressure of reactive gas (C₂H₂) during deposition. More insight into the microstructure of coatings provided HREM analysis showing crystalline precipitations of about 1-2 nm in size as well as tungsten-rich and tungsten-poor W-C:H sub-layers. Raman spectra confirm presence of amorphous, hydrogenated carbon (a-C:H) phase in the coatings. Microhardness of studied coatings depends on tungsten content and increases from 10.7 GPa to 13.7 GPa, for 5.1 at.% and 10.3 at.% of tungsten content, respectively. The highest cracking resistance and best adhesion (L_c2 = 78 N and HF1) has been achieved for coatings containing 4.9 at.% of tungsten and a sub-layer thickness of 5 nm. Tribological processes occurring in the coating-coating contact zone are dominated by graphitization and oxidation of W-C:H coating. Very low friction coefficient (0.04) and low wear rate seems to be an effect gaseous micro-bearing by tribo-generated carbon oxides and methane as well as hydrogen released from the coating. In the W-C:H-steel contact zone a tribo-layer composed of iron and tungsten oxides mixed with graphite-like products is growing at the surface of steel counterpart. This tribo-layer becomes a barrier restricting direct contact of steel with the coating and thus preventing it from further intense wear.     

MoS2/Pb-Ti多层薄膜的结构和摩擦学性能

目的 设计MoS2/Pb-Ti多层薄膜,改善真空和大气环境下的摩擦学性能。方法 采用磁控溅射技术沉积MoS2/Pb-Ti多层薄膜,通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射(XRD)、纳米压痕仪、真空和大气摩擦磨损实验,分别评价MoS2/Pb-Ti多层薄膜的表面形貌、微观结构、力学性能、真空和大气环境下的摩擦学性能,并通过光学显微镜、能谱仪（EDS）、Raman光谱仪对磨痕及磨斑进行分析。结果 随着MoS2层厚度的增加,MoS2/Pb-Ti多层薄膜的表面颗粒逐渐细化,变得更加光滑。同时,微观结构由金属相主导转变为由MoS2相主导,弹性模量逐渐降低,硬度则先升高后降低。在真空环境下,MoS2/Pb-Ti多层薄膜的摩擦系数低至0.01,磨损率低至2.2×10?7 mm3/(N?m),大气环境下摩擦系数低至0.07左右,磨损率低至2.7×10?7 mm3/(N?m)。 结论 在真空摩擦磨损实验中,MoS2层厚度过薄时,MoS2/Pb-Ti多层薄膜的磨损机制为粘着磨损,MoS2层厚度增加有助于形成稳定的转移膜,使得摩擦磨损大幅降低。在大气摩擦磨损实验中,Ti保护MoS2的结构免于H2O和O2的破坏,使体系具有低而稳定的摩擦磨损。     

不同掺杂对类金刚石薄膜的影响

目的研究单掺Si和共掺Ag、Si对类金刚石薄膜的结构、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响。方法以高纯石墨靶、石墨与金属复合靶、Si靶作为靶材,采用射频增强磁控溅射技术制备不同掺杂种类的薄膜。通过XPS、拉曼光谱仪对薄膜的化学组成和结构进行分析,通过纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等,对薄膜的力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行了系统研究。结果 Si元素单掺DLC会引起薄膜中sp~3C含量增加。Ag、Si共掺DLC后,由于Ag以金属相分布在薄膜中,并促进sp~2相的形成,导致sp~3C含量降低。掺杂元素后的DLC薄膜,硬度下降,但韧性提高,其中Ag、Si共掺的DLC薄膜的弹性恢复系数达到79%。此外,Ag、Si共掺DLC薄膜在多种气氛(Ar、O_2、N_2)中都具有优异的摩擦学性能,磨损寿命均超过30 min,其中在N_2气中的摩擦系数最低(0.1),并在NaCl溶液中的腐蚀电流密度比304不锈钢基体降低了近2个数量级,具有良好的耐腐蚀性。结论 Si与Ag共掺DLC薄膜较Si单掺薄膜具有更好的摩擦环境适应性和耐腐蚀性能。     

不同Ti含量类石墨碳膜干摩擦磨损性能研究

目的提高高速钢的干摩擦学性能,探究不同Ti含量掺杂对类石墨碳膜摩擦性能的影响。方法用非平衡磁控溅射离子镀技术制备了不同Ti含量的类石墨碳膜,用光学显微镜、扫描电子显微镜、Raman光谱、洛氏硬度计、纳米压痕仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,用高速线性往复磨损试验机检测薄膜的干摩擦学性能,并用光学显微镜观察磨痕。结果制备的碳膜表面颗粒尺寸较小,断面致密,且逐渐趋向柱状结构。随着Ti靶溅射电流的增大,逐渐增加的Ti元素打断了sp~3键生长,薄膜中生成更稳定的sp~2键,且sp~2键含量先增大后减小,在0.8 A达到最大,溅射电流为1.1 A时,Ti元素含量最大,sp~2键和sp~3键都减少。碳膜与基体结合力随着Ti靶电流变大而先增大后减小,在0.8 A结合最佳,约为HF3级。硬度和弹性模量先减小后增加,0.8 A时达到最小。碳膜摩擦系数相比于原样都较低,在0.09~0.12之间。磨损率先增大后减小,维持在(5~15)×10~(-16) m~3/(N·m)左右。结论不同Ti含量的类石墨碳膜,能明显降低高速钢与钢球对磨的粘着磨损倾向,降低摩擦系数和磨损率。