TC4钛合金表面电弧离子镀TiN/CrN纳米多层薄膜研究

用电弧离子镀技术在TC4钛合金基体上通过改变偏压制备了4组TiN/CrN薄膜,对薄膜的表面形貌、厚度、相结构、硬度、膜基结合力和摩擦系数等组织、性能进行了测试表征。结果表明,薄膜是由TiN相和CrN交替叠加构成的纳米多层薄膜,薄膜的调制周期为60 nm,总的厚度约为480 nm。与基体钛合金相比,镀膜后样品的表面性能与偏压幅值密切相关并有显著提高:显微硬度从基体的3 GPa提高到16.5~24.7 GPa;摩擦系数从基体的0.35大幅度降低到0.14~0.17;薄膜与基体结合牢固,膜基临界载荷在60~80N之间。经电弧离子镀TiN/CrN纳米多层薄膜处理后,TC4钛合金可以满足沙粒和尘埃磨损条件下的耐磨性能要求。     

钛合金表面Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜制备及性能

采用多靶位真空阴极电弧沉积技术,在TC11钛合金表面制备24周期的Ti-TiN-Zr-ZrN软硬交替多元多层膜。用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、结合力划痕仪、球-盘摩擦磨损试验仪、砂粒冲刷试验仪和3D表面形貌仪,研究多层膜的表面及截面形貌、相结构、厚度、硬度、膜/基结合力、摩擦磨损性能和抗砂粒冲蚀性能。结果表明:所制备TiTiN-Zr-ZrN多层膜厚度约为5.8μm,维氏显微硬度为28.10GPa,膜基结合力为56N;TC11钛合金表面镀多层膜后耐磨性提高了一个数量级,体积磨损率由7.06×10~(-13) m~3·N~(-1)·m~(-1)降低到3.03×10~(-14) m~3·N~(-1)·m~(-1);多层膜软硬层交替的结构,受砂粒冲蚀时裂纹扩展至金属软层时应力的缓冲而出现偏转,对TC11钛合金有良好的抗砂粒冲蚀保护作用。     

过渡层对TC4钛合金基类金刚石多层薄膜磨损特性的影响

在钛合金(TC4)表面制备类金刚石(DLC)薄膜是提高其耐磨损性能和使用寿命的一种有效方法。本文采用磁过滤阴极弧源技术在钛合金表面上制备软硬相间的类金刚石多层薄膜、Ti和Ti/TiC过渡层组成的类金刚石多层薄膜。利用光学显微镜和扫描电镜分析多层膜表面外观形态,并使用台阶仪、纳米压痕仪、摩擦实验机等分析多层膜的残余应力、纳米硬度、膜基结合力和摩擦磨损特性。研究结果表明：DLC多层薄膜的残余应力均低于单层DLC薄膜,残余应力从12.63 GPa降低到6.21 GPa,增加Ti/TiC过渡层的DLC多层薄膜的残余应力最小。压痕结合力研究结果表明,加入Ti/TiC过渡层的DLC多层薄膜的结合状况得到了显著提高。Ti/TiC过渡层构成的类金刚石多层薄膜,有较大的硬度和良好减摩耐磨性能。试验结果将为TC4钛合金基体上制备硬质耐磨损DLC多层薄膜提供技术方案和理论依据。     

真空阴极离子镀法制备Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜

过去,在不锈钢上沉积10μm以上多元多层软硬交替Ti/TiN/Zr/ZrN厚膜用以提高材料耐腐蚀性能的报道不多.采用阴极电弧离子镀结合脉冲偏压的方法制备了厚度选15 μm的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜.运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、显微硬度计、划痕仪等考察了多层膜的形貌、厚度、相组成、硬度以及膜/基结合力,并利用电化学方法评价了基体、单层TiN薄膜以及多层膜的电化学腐蚀性能.结果表明:制备的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜界面明晰、结构致密、晶粒细小;膜/基结合力大于70 N,显微硬度达28 GPa;多层膜比单层TiN膜在提高1Cr11Ni2W2MOV基体的抗腐蚀能力方面具有更显著的作用.     

AlTiXN/AlTiN(X=Cr,Si)纳米多层涂层的制备及铣削性能研究

采用电弧离子镀技术在硬质合金基体和立式面铣刀上分别沉积了AlTiN、AlTiCrN/AlTiN、AlTiSiN/AlTiN纳米多层涂层,采用扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、能谱仪、纳米划痕、纳米压痕以及摩擦实验和切削实验等对AlTiN、AlTiCrN/AlTiN、AlTiSiN/AlTiN纳米多层涂层的结构、力学性能、摩擦性能和切削性能进行分析。结果表明,上述涂层表面形貌均较平整、大颗粒数量较少,涂层截面均较为致密。AlTiN涂层的膜基结合力为47 N,AlTiCrN/AlTiN在极限载荷为49.79 N时出现大块剥落,而AlTiSiN/AlTiN涂层的膜基结合力较大,为53.76 N。AlTiN、AlTiCrN/AlTiN、AlTiSiN/AlTiN涂层的硬度分别为24.9±3.42,26.24±2.36,32.74±4.21 GPa。在600℃高温摩擦磨损测试过程中,AlTiN涂层其磨损机制主要表现为磨粒磨损和氧化磨损,而AlTiCrN/AlTiN及AlTiSiN/AlTiN涂层磨损机制主要为粘着磨损和氧化磨损。涂层刀具铣削加工钛合金(Ti6Al4V)的寿命长短依次为AlTiNAlTiCrN/AlTiNAlTiSiN/AlTiN。AlTiN涂层刀具的磨损形式主要是粘着磨损氧化磨损,AlTiCrN/AlTiN涂层铣刀的磨损形式为磨粒磨损、粘着磨损及氧化磨损,AlTiSiN/AlTiN涂层的磨损形式为边界磨损、粘着磨损、氧化磨损。AlTiCrN/AlTiN、AlTiSiN/AlTiN多层涂层的硬度和膜基结合力较高且具有较低的磨损率,使得涂层在切削过程中具有更长的切削寿命。     

层厚比对磁控溅射Cr/CrN多层涂层组织和性能的影响

在超高真空磁控溅射仪上,制备了一系列具有相同调制周期不同层厚比的Cr/CrN涂层。用X射线衍射仪分析了涂层的相组成,通过扫描电镜观察了涂层形貌,采用显微硬度计测试了涂层硬度,在划痕仪上确定涂层和基体间的结合力,并利用磨损仪测量涂层的摩擦磨损性能。结果表明:调制周期为400nm时,当层厚比由2.0减小到0.2,Cr/CrN多层涂层始终由Cr和CrN两相组成,涂层择优取向为CrN(200),且涂层变得愈加致密,硬度从1550HV增大到2300HV,磨损率从2.4×10-8 mm3·N-1·m-1减小为0.6×10-8 mm3·N-1·m-1,涂层和基体结合性能优良。     

35CrMo钢表面化学气相沉积多层硬质涂层的结构与性能研究

采用化学气相沉积法在35CrMo钢基表面制备TiC/TiN双层、TiC(CN)/TiN和TiC/Ti(CN)/TiN/Al2O3多层硬质涂层,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、多功能表面力学性能试验仪和摩擦磨损试验仪测试分析了涂层的组成结构、粗糙度和表面力学性能.结果表明:三种硬质涂层表面较均匀、致密,具有高硬度、低摩擦系数等特点,较大提高了35CrMo钢的耐磨擦磨损性能.相比TiC/TiN双层,多层涂层具有更好的力学和耐磨性能,其中多层TiC/Ti(CN)/TiN的摩擦系数最小,耐磨损性能最好,原因主要归于TC/Ti(CN)/TiN涂层具有较高的显微硬度(2559HV)和良好的膜基界面结合力(70N).     

微量Al掺杂对TiN微观结构及性能的影响

采用离子辅助增强磁控溅射与离子蒸发镀二元组合源设备在高速钢基体沉积出微量Al掺杂的TiN涂层(Al-TiN),利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计对涂层的组成成分、相结构、膜基结合力及显微硬度进行了分析;用摩擦磨损实验机及台阶仪分析了薄膜的摩擦磨损性能。研究了微量Al掺杂对薄膜的微结构及性能的影响。结果表明,TiN涂层中微量Al的存在使涂层的膜基结合力、耐摩擦磨损性能得到明显改善。     

微量Al掺杂对TiN微观结构及性能的影响

采用离子辅助增强磁控溅射与离子蒸发镀二元组合源设备在高速钢基体沉积出微量Al掺杂的TiN涂层(Al-TiN),利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计对涂层的组成成分、相结构、膜基结合力及显微硬度进行了分析;用摩擦磨损实验机及台阶仪分析了薄膜的摩擦磨损性能。研究了微量Al掺杂对薄膜的微结构及性能的影响。结果表明,TiN涂层中微量Al的存在使涂层的膜基结合力、耐摩擦磨损性能得到明显改善。     

稀土铈对热作模具钢TiN系离子镀涂层性能的改进

为了解决TiN涂层的膜/基结合力不够高和高温抗氧化性不足等问题,综合利用电弧离子镀和涂层合金化技术,在4Cr5MoV热作模具钢基体上制备了添加稀土元素Ce的TiN系涂层,测定了涂层的显微硬度、孔隙率、耐磨性及膜/基结合力,并做了恒温氧化试验和抗热震性试验,以研究稀土元素Ce对TiN,Ti(Al,V)N涂层的改性作用.试验结果表明,Ce的加入能提高涂层的耐磨性,显著提高涂层的膜/基结合力,使其高温抗氧化性和抗热震性明显改善,可大大提高4Cr5MoV钢涂层热作精密模具的使用寿命和使用效果.     

高功率脉冲电流对磁控溅射TiN薄膜结构及力学性能影响

采用高功率脉冲磁控溅射技术在M2高速钢基体上沉积了TiN薄膜,研究了不同脉冲电流下TiN膜层的沉积速率、膜基结合力、晶体生长取向、纳米硬度和摩擦磨损性能等。结果表明:随着脉冲电流的增加,膜层沉积速率不断增大,膜层致密度逐渐增强。当脉冲电流增加到20A以上时膜层沿着(111)面择优生长并且具有最高的I_(111),这与能流密度效应有关。脉冲电流为20A时的膜层表面具有最高的硬度(可达25GPa)、最高的膜基结合力(可达70N,压痕评定优于HF2)和较好的耐摩擦磨损性能。     

高温化学气相沉积TiC/Ti(CxN1-x)/TiN层的组织结构及摩擦磨损性能

Ti(CxN1-x)涂层具有硬度大、强度高、耐磨等性能,而目前采用化学气相沉积法在不锈钢表面制备Ti(CxN1-x)多层涂层的报道较少。用高温化学气相沉积法在316L不锈钢表面分别制备了TiN单层涂层和TiC/Ti(CxN1-x)/TiN多层涂层,比较分析了2种涂层的显微形貌、相结构、硬度、界面结合力及耐磨性能。结果表明:TiC/Ti(CxN1-x)/TiN多层涂层结构致密,厚约10μm;TiN单层及TiC/Ti(CxN1-x)/TiN多层涂层均提高了316L不锈钢的硬度、耐磨性;与TiN单层涂层相比,TiC/Ti(CxN1-x)/TiN多层涂层的显微硬度和界面结合力更好,摩擦系数更低,磨损量更小,耐磨减摩性能更好;2种涂层的磨损破坏机制较一致,主要为磨粒磨损和摩擦氧化。     

Inconel 718合金表面纳米多层CrAlN/CrN涂层的制备及高温摩擦学性能研究

为提高Inconel 718合金的表面硬度和高温摩擦磨损性能,采用多弧离子镀技术在其表面制备CrAlN/CrN涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪和划痕仪等对涂层的微观结构、力学性能进行分析表征。使用UMT摩擦磨损试验机测试涂层在室温、350℃和650℃下的摩擦性能,并对磨痕的形貌特征、元素分布和物相进行分析,分析涂层在不同温度下的摩擦磨损机制。结果表明：纳米多层CrAlN/CrN涂层微观结构致密,主要由fcc-CrN相组成,择优取向为(200)晶面;CrAlN/CrN涂层在Inconel 718合金表面具有良好的力学性能,其硬度和结合力分别为(29.3±1.2) GPa和70.4 N;涂层在室温和350℃下具有优异的耐磨性,磨损率分别低至1.5×10^-6 mm³/(N·m)和1.7×10^-6 mm³/(N·m),主导的磨损机制分别为磨粒磨损和疲劳磨损;650℃时涂层达到最低摩擦系数(0.33),但磨损率有所升高,主要表现为磨粒磨损。     

偏压对CrN/Si3N4纳米多层膜结构、硬度和断裂韧性的影响

利用磁控溅射法在不同基底偏压条件下制备了CrN/Si3N4纳米多层膜,分别用X射线衍射仪、原子力显微镜及纳米压痕仪表征多层膜的微观结构及力学性能,结果表明,衬底偏压对CrN/Si3N4纳米多层膜微观结构、界面结构、硬度和磨损性能有重要影响。漂浮电位时多层膜界面粗糙,CrN呈(200)、(111)共同生长,硬度和弹性模量低,有偏压且变化时界面宽度和粗糙度变化不大,硬度和模量变化的主要原因是不同衬底偏压下的晶格畸变导致两层材料弹性模量变化和晶粒尺寸变化。基底偏压的优化有助于改善涂层的屈服应力和断裂韧性。     

40Cr钢离子氮化与离子镀TiN复合涂层与苜蓿草粉之间的摩擦学特性

在橡胶轮磨料磨损实验机上考察了40Cr钢基体上离子氮化与离子镀TiN复合涂层在苜蓿草粉软磨料下的摩擦学特性。采用划痕法测定了涂层的结合力,利用XRD分析了涂层的相结构,应用扫描电子显微镜观察分析了涂层磨损表面形貌和磨损机理。结果表明:离子氮化与离子镀TiN复合涂层的膜基结合力和硬度均高于TiN涂层;其对于苜蓿草粉软磨料的耐磨性也高于TiN涂层和渗氮层;离子氮化过渡层能显著提高TiN涂层的膜基结合力并改善薄膜的韧性;涂层能有效限制硬质颗粒对基体的压嵌和切削。涂层在苜蓿草粉软磨料下的磨损机制既包括硬质颗粒磨料条件下的切削磨损,也包括软磨料条件下的多次塑性变形和周期疲劳磨损。涂层硬度和韧性的共增可以提高其对软磨料的耐磨性。     

15-5PH不锈钢基体上硬质膜层制备及性能研究

对比不同的表面处理工艺,选择多弧离子镀方法在15-5 PH不锈钢基材表面制备TiN硬质涂层.分析制备工艺对膜层的表面硬度、膜/基结合强度、膜层结构等基本物理性能的影响,进行工艺优化.结果显示在预热温度高于200℃后,TiN膜层结晶效果较好;负偏压达到600V后,膜／基间“伪扩散”层出现,膜／基结合性能明显提高;工作气压升高,膜层表面硬度、膜／基结合力和沉积速率先升高后下降,分别在4.0,3.0和2.5Pa达到峰值.最终获得的TiN硬质膜层表面硬度大于2000HV0.05,膜／基结合力最小临界载荷高于70N.镀膜处理后,工件的各种性能测试均能满足具体使用要求.     

2024铝合金表面镀CrNx多层膜的研究

在2024铝合金上采用了二次浸锌的预处理方法,以化学镀镍,电镀铜作为过渡层的特殊工艺,再利用磁过滤脉冲偏压电弧离子镀技术制备了Zn/Ni/Cu/Cr/CrN多层梯度膜.利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度仪和腐蚀测量仪等测试手段分析薄膜的成分、结构、表面形貌、显微硬度、耐腐蚀性等特性.结果表明多层膜性能梯度分布,结构交替变化,从而减少膜基的内应力,提高了铝合金上crNx涂层的结合力,能够有效的解决铝合金上镀硬质陶瓷膜的热适配和晶格错配度大的难题.表而氮化物多层膜均匀致密,未出现龟裂,颗粒的数量和尺寸大大减少.氮化物以CrN(220)为主要相,氮化物膜层的显微硬度达到2600 HV,是镍磷层的3倍,与铝基体相比,其表面显微硬度提高了22倍多,耐腐蚀性提高了400 mV.这样的CrNx薄膜能使铝合金表面具有高硬度和良好的耐腐蚀性,对轻合金表面涂覆超厚硬质膜具有一定的研究意义.     

TiN/Ti多层膜调制比对摩擦磨损行为影响的研究

考察了TiN/Ti多层膜调制比对其摩擦磨损行为的影响. 采用磁过滤阴极弧沉积的方法制备了具有不同调制比的TiN/Ti多层膜, 用扫描电镜和透射电镜对其层状结构及子层结构进行了观察和分析. 用纳米压痕和SRV摩擦磨损试验的方法, 对多层膜进行了纳米硬度和弹性模量测试以及摩擦磨损实验. 结果表明, 所制备的TiN/Ti多层膜层状结构清晰, 与基底结合良好, 调制比对多层膜的硬度和磨损特性影响较大, 而对摩擦系数的影响却不明显. 结合实验结果, 讨论了硬度与弹性模量的比值(H/E值)对TiN/Ti多层膜耐磨性的影响.     

结构调制超硬Ti/TiN纳米多层膜的制备及其尺寸效应

使用多弧离子镀技术在高速钢基体上制备了调制周期为5~40 nm的Ti/TiN纳米多层膜,用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪和划痕仪等手段表征薄膜的微观结构和性能,研究了调制周期对Ti/TiN纳米多层膜性能的影响,并讨论了在小调制周期条件下Ti/TiN纳米多层膜的超硬效应和多弧离子镀技术对纳米多层膜硬度的强化作用。结果表明,与单层TiN相比,本文制备的Ti/TiN纳米多层膜分层情况良好,薄膜均匀致密,没有明显的柱状晶结构,TiN以面心立方结构沿(111)方向择优生长。随着调制周期的减小薄膜的硬度呈现先增大后减小的趋势,并在调制周期为7.5 nm时具有最大的硬度42.9 GPa和H/E值。这表明,Ti/TiN在具有最大硬度的同时仍然具有良好的耐磨性和韧性。Ti/TiN纳米多层膜的附着力均比单层TiN薄膜的附着力高,调制周期为7.5 nm时多层膜的附着力为(58±0.9) N。     

多弧离子镀TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜的制备及性能研究

采用XH-800多弧离子镀设备在硬质合金刀具表面制备TiN/TiCrN/CrN多元多层复合膜.利用XRD、SEM、显微硬度计、多功能材料表面性能测试仪等对其组织结构与性能进行了研究.结果表明:膜层表面均匀,未出现龟裂现象,色泽光亮度好;膜的相结构组成为TiN和Cr2N,随着Cr靶电流的增大,TiN的择优取向由(200)向(111)转变,膜层出现单质Cr;膜层厚度为5.02μm,具有明显多层特征;显微硬度2536 HV;结合力65 N.