TiN、AIN薄膜的摩擦磨损和抗高温氧化性能及机制

采用电弧离子镀工艺在1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢表面沉积TiN、AlN薄膜，通过扫描电镜、摩擦磨损试验和高温氧化试验等方法研究了薄膜的微观结构、化学成分与其摩擦性能和抗高温氧化性能之间的关系，同时探讨了薄膜的摩擦磨损机制和高温氧化机制。     

高温下TiN涂层的摩擦与磨损行为

采用阴极离子镀方法在YT14硬质合金刀具表面制备了Ti N涂层,用高温摩擦磨损试验机考察Ti N涂层在500℃高温下摩擦-磨损行为。通过扫描电镜观察涂层表面-界面形貌和高温磨损后表面形貌,用XRD分析了Ti N涂层物相变化,并用EDS能谱仪对结合界面进行线扫描分析和磨痕进行面扫描分析,同时用工具显微镜观察了表面犁沟形貌,对Ti N涂层500℃下磨损机理进行探讨。结果表明,Ti N涂层在500℃磨损后发生高温氧化,Ti N涂层表面磨痕处主要以Ti O2为主,这些氧化层起到了润滑减摩的作用,适合于高速切削与干式切削;在5 N载荷作用下,Ti N涂层的摩擦系数平均值为0.7116;在高温下Ti N涂层表现为氧化磨损,同时伴随着一定的磨粒磨损和黏着磨损。     

TiN基纳米复合超硬薄膜的摩擦磨损特性

分别用磁控溅射、脉冲直流和射频等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)技术得到了TiN、TiSiN、TiBN及Ti-C-N纳米复合超硬薄膜。用球盘式摩擦磨损试验考察了各种薄膜的磨损特性。结果表明此类纳米复合超硬薄膜的抗磨损性能比单纯的TiN薄膜有显著提高,但复合薄膜的室温摩擦因数较高,高温下摩擦因数也仅有轻微降低,可能由于表层生成减摩氧化层所致。特别对于TiSiN薄膜,随薄膜中Si含量的上升,其耐磨损性能有所下降。     

调制周期对TiN/TiAlN多层薄膜微观结构和摩擦性能的影响

采用电弧离子镀方法制备了TiN/TiAlN多层薄膜,研究了调制周期对薄膜多层结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明:在相同的沉积时间内,随调制周期的增加,多层薄膜的层数减少,每一层的厚度增加,层与层之间的区分更加清晰。摩擦磨损测试结果表明:由于多层薄膜的调制结构,引起薄膜对磨层的变化,当多层薄膜的调制周期为54 nm时,多层薄膜的摩擦系数最小;当调制周期为112 nm时,多层薄膜的摩擦系数最高;当调制周期为164 nm时,多层薄膜的磨痕宽度最小。在摩擦磨损过程中,GCr15钢球的磨损面一直处于快速磨损阶段,对磨痕能谱线扫描结果发现磨屑的主要成分是Fe和FeOx。     

复合工艺制备TiAlN薄膜及其高温抗氧化性能研究

采用Ti靶电弧离子镀与Al靶中频磁控溅射相结合的复合工艺,通过调节Al靶电流,在不锈钢基体上制备了TiN薄膜和TiAlN薄膜样品,并在热处理炉内对薄膜进行高温抗氧化试验,分析了薄膜氧化前后的表面形貌、断口形貌及显微硬度.结果表明:TiAlN薄膜氧化前和氧化后的硬度均随着铝靶磁控溅射电流的增强、铝含量的提高而增加;TiAlN薄膜的高温稳定性明显优于TiN薄膜;TiAlN薄膜经800℃氧化后发生膨胀而变得疏松,内部发生了柱状晶化,致密性下降.     

电弧离子镀TiAlN和TiAlSiN涂层的高温摩擦磨损行为

采用电弧离子镀技术在高速钢和单晶硅上沉积TiAlN和TiAlSiN涂层,利用高温摩擦磨损试验机考察两种涂层在常温、400℃和600℃下的摩擦磨损行为。通过光学轮廓仪观察涂层磨损后三维形貌和二维磨痕轮廓曲线,利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析磨痕、摩擦副的微观形貌以及元素分布,研究Si元素的加入对TiAlN涂层高温摩擦磨损性能的影响。结果表明:TiAlN、TiAlSiN涂层在600℃摩擦稳定后的摩擦因数最低,其次是在400℃,常温下的摩擦因数最高;TiAlN涂层在常温下摩擦完后已经磨穿失效,而TiAlSiN涂层在600℃摩擦完后才失效。粘着磨损和氧化磨损主要存在于TiAlN涂层摩擦过程中,TiAlSiN涂层常温下主要磨损形式为磨粒磨损、粘着磨损以及塑性变形导致的鱼鳞状裂纹,400℃下为粘着磨损和氧化磨损,600℃下为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。     

离子镀TiN涂层的高温氧化特性

研究了离子镀ＴｉＮ涂层在５００－７００℃间的高温氧化特性,并利用ＳＥＭ观察和ＸＲＤ相分析的氧化产物的类型及膜失效机制。结果表明,ＴｉＮ膜的氧化遵循抛物线扩散规律,其氧化产物为金红石型ＴｉＯ２。与Ｍ２和３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ相比,ＴｉＮ膜具有优良的抗氧化性能。以Ｍ２为基体的ＴｉＮ涂层抗氧化性能略高于以３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ为基体的ＴｉＮ涂层。     

电弧离子镀制备透明(002)AlN薄膜

在电弧离子镀弧靶上加挡板,分别在挡板屏蔽区内、外用Si(100)和玻璃片作基片沉积出AlN薄膜。用扫描电镜(SEM),X射线衍射仪(XRD),X射线光电子能谱分析仪(XPS)和紫外可见光分光计对AlN薄膜的性能进行了研究。结果表明,在挡板屏蔽区内沉积出的AlN薄膜呈(002)择优取向,无大颗粒污染,在300～1000nm波长范围内透明;在挡板屏蔽区外的AlN薄膜呈(100)择优取向,含有Al污染颗粒,不透明。用电弧离子镀法沉积AlN,样品不需要额外加热就能获得晶态AlN薄膜,样品的温度升高来源于粒子对基底的轰击。     

氧化工艺对真空电弧沉积TiN薄膜组织与性能的影响

研究了各种氧化工艺对真空电弧沉积TiN薄膜组织与性能的影响。结果表明，TiN薄膜在400℃于不同时间整体氧化时，表面Ti液滴和TiN相发生不同程度的氧化，转变成具有金红石型的TiO2薄膜，提高了膜层表面的致密性，而TiN薄膜的整体组织结构未发生较大改变。随着氧化时间的延长，在40min后硬度才略有下降，内应力下降，膜层的结合力提高，并具有较好的耐磨性能。     

电弧离子镀NiAlHf涂层的抗高温氧化性能

目的通过电弧离子镀技术,获得抗氧化性能优良的NiAl涂层。方法采用电弧离子镀技术,在弧流为110 A,偏压为-50 V的参数下沉积NiAlHf涂层。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层的物相结构和形貌进行分析,通过能谱仪(EDS)分析涂层的成分。采用恒温氧化增重实验对涂层的氧化动力学进行分析。结果由电弧离子镀技术制备的NiAl涂层致密均匀,无大颗粒、孔洞等缺陷。涂层主要由β-NiAl相组成,活性元素Hf固溶在主相中。NiAlHf涂层表现出良好的抗高温氧化性能,动力学曲线符合抛物线规律,在1150℃下恒温氧化200h的平均氧化速率为0.0841g/(m^2×h),远优于传统MCrAlY涂层体系。NiAlHf涂层在氧化初期形成保护性的α-Al2O3氧化皮以及少量亚稳态的θ-Al2O3,随后θ-Al2O3逐渐转变为稳态的α-Al2O3。Hf在涂层表面富集从而形成HfO2,对氧化皮形成了钉扎作用,增强了氧化皮的粘附性,提高了涂层的抗氧化性能。随着氧化的进行,涂层中的β-NiAl相逐渐转变为γ'-Ni3Al相。结论 NiAlHf涂层在1150℃下仍具备优良的抗高温氧化性能,对下一代耐更高温度涂层开发,电弧离子镀NiAl涂层的技术推广及工业化应用有一定的指导作用。     

炭素材料高温抗氧化研究进展

介绍了炭素材料高温抗氧化防护方法,以涂层法抗氧化为主要方向的研究进展以及这一领域未来的发展趋势.     

不同热处理TiN/Ti多层涂层冲蚀损伤特征与机理

目的 通过研究分析不同热处理TiN/Ti多层涂层在冲蚀作用下的损伤特征,揭示不同热处理TiN/Ti多层涂层冲蚀损伤的机理。方法 采用磁过滤阴极真空弧沉积技术在TC4钛合金表面制备TiN/Ti多层涂层,利用热处理炉对试样进行不同的热处理(300℃/40 min,空冷;400℃/40 min,空冷;300℃/40 min,空冷+300℃/40 min,空冷),采用划痕仪、显微硬度计、扫描电镜、能谱仪等设备对热处理试样涂层的结合力、显微硬度、涂层损伤形貌特征、元素分布等进行表征,并在冲蚀试验平台上通过砂尘冲蚀性能试验(速度130m/s,角度45°)进行验证。结果 TiN/Ti多层涂层在低温(≤400℃)下经短时间热处理后,涂层的物相未发生变化,仍以TiN(111)、TiN(200)、TiN(220)和TiN(311)为主,涂层结构完整,最外层的TiN涂层没有发生氧化现象,涂层结合力基本未发生改变,显微硬度略有下降,由2 764.1HV分别降至2748.9HV、2 493.2HV、2 255.2HV。TiN/Ti多层涂层的抗冲蚀性能变化不大,冲蚀速率由0.117 mg/min分别变为0.100...     

TiN/AlN复合材料的等离子烧结

采用等离子技术,在1600℃的温度和50 MPa的压力、不同保温时间的条件下实现TiN/AlN纳米复合粉的快速烧结。随着保温时间的延长,材料致密性有所改善,在保温15 min后获得最大密度,HRA=93,ρ=4.346 g/cm~3;随后由于颗粒的长大密度有所下降。XRD分析主相为TiN,局部温度过高导致氮缺位,晶格常数增大,衍射峰较烧结前略有左偏;次相为AlN,但由于在烧结过程中存在应力,其衍射峰较烧结前略有右偏,同时在烧结过程中有轻微氧化现象生成AlON相。用SEM分析了试样断口形貌,主要呈现沿晶断裂。     

稀土铈对热浸渗铝钢耐高温氧化性能的影响

研究了添加稀土铈对热浸渗铝钢渗层表面和耐高温氧化性能的影响,结果表明,在所研究的0％～1％范围内,随着稀土含量的增加,渗层的耐高温氧化性能逐渐提高。当稀土添加量为1．0％时,渗层的耐高温氧化性能最好,约为纯铝渗层的1．4倍,且添加稀土后,渗层表面形貌由片状向短棒状转变,韧性特征也比较明显。     

合金层厚度对热浸镀铝件抗氧化性能的影响

通过改变热浸镀铝的时间,分析了合金层厚度 对热浸镀铝件抗氧化性能的影响。结果显示,由于合金层的氧化失效存在着整体碎裂、局部脱落和逐步氧化消耗三种方式,使得镀件的抗氧化性能呈现出随合金层厚度增加先降低后提高的规律,表明只有当热浸镀铝件的合金层超过一定厚度以后,镀层才能提供良好的抗氧化性能。     

铝—硅涂层防护性能的研究

采用静态高温氧化、热腐蚀试验以及多种物理分析方法研究了镍基合金上的铝—硅涂层的防护性能。揭示了硅在涂层中的分布形式及其在高温曝置期间的变化情况。指出铝—硅涂层的防护性能明显优于渗铝涂层,而且在本试验范围内随硅含量的增加而提高。这是由于: (a) 铝—硅涂层减轻或防止涂层中“MC碳化物缺口”的出现; (b) 含硅的γ′-相具有优良的抗氧化性能; (c) 1100℃短时间曝置后在Al—Si涂层与基体界面处形成的连续的富硅M_6C“隔层”起扩散屏障的作用。     

活性元素改性高温防护涂层的研究现状

活性元素(RE)可以显著降低合金的氧化速率和提高氧化膜的抗剥落性能,在高温合金及高温防护涂层上已经得到了大量商业应用,但至今对其微观作用机制尚无统一认识,相关理论体系也不完整。从RE改性高温防护涂层的制备、RE效应及作用模型、过掺杂和共掺杂效应等方面,概述了活性元素在高温防护涂层领域应用的最新进展。重点分析了RE添加对高温过程中氧化膜生长机制、微观结构和氧化膜粘附性能的影响,过量掺杂对抗氧化性能的危害以及多种RE掺杂对合金基体的改善作用。RE改性要在高温防护涂层上体现最佳效果,除需关注RE掺杂对氧化膜生长和氧化膜/涂层基体界面结合状态的影响外,还必须考虑涂层和合金基体的互扩散、涂层中的氧含量、涂层厚度等因素对RE添加种类和添加量的影响。针对目前的研究结果,提出RE改性高温防护涂层在应用上最亟待解决的问题,是确定不同合金体系中RE掺杂的最佳种类和含量。最后,对未来的研究方向进行了展望。