磁控溅射技术制备CrAlN涂层的研究进展

概述了采用不同磁控溅射技术制备CrAlN涂层的国内外研究现状与发展趋势,重点分析了CrAlN涂层的结构、力学性能、涂层氧化行为与耐腐蚀性能。提出了不同磁控溅射制备工艺的进一步优化结合和新型磁控溅射制备工艺的研究是未来磁控溅射技术制备CrAlN涂层的新趋势,在进一步提高CrAlN涂层性能的基础上,需深入探究该类硬度涂层的工业新应用潜力。     

Al含量对TiAlN涂层组织结构和性能的影响

采用电弧离子镀技术在M35高速钢基体表面沉积三种Al含量的TiAlN涂层(Ti、Al的原子比为1∶2、1∶1.5、1∶1)。采用扫描电镜(SEM)、显微硬度计、X射线衍射仪(XRD)、三维表面轮廓仪、多功能材料表面性能试验仪以及高温氧化试验对涂层显微结构及性能进行分析表征。结果表明:在同一工艺条件下,随着Al含量增加,TiAlN涂层的粗糙度增大,涂层表面质量下降,抗氧化性能降低,在800 ℃下氧化后表面形成TiO₂和Al₂O₃。在三种不同Al含量的TiAlN涂层中,Ti0.5Al0.5N涂层的综合力学性能最好,在800 ℃下,10 h内具有最为优异的抗氧化性能。     

工艺参数对直流溅射沉积CrAlN涂层结构和性能的影响

采用直流反应磁控溅射的方式,用AlCr合金靶,在高速钢(M2)上沉积CrAlN涂层。采用扫描电镜、X射线衍射、能谱和纳米压痕仪等分析和测量手段,系统研究了Ar/N2气流比、气压和基片温度等工艺参数对CrAlN涂层结构和性能的影响。研究表明,Ar/N2气流比、气压和基片温度对涂层均有较大的影响,当Ar/N2气流比为1、总气压为0.2 Pa、基片温度为300℃时所得涂层性能最好,最高硬度和弹性模量分别为34.8,434.3 GPa。     

CrAlN纳米复合涂层的组织结构及切削性能研究

目前对CrAlN涂层的研究主要集中在组织结构、力学性能和抗高温氧化性能等方面,对涂层的切削性能研究较少.采用电弧离子镀和脉冲直流磁控溅射共沉积技术制备了一种CrAlN纳米复合涂层,采用XRD、扫描电镜、纳米压痕仪、划痕仪等分析了涂层的组织结构和力学性能.结果 表明:CrAlN纳米复合涂层以fcc-(Cr,Al)N相为主...     

铝含量对Ni_3Al基合金IC6E微观组织和力学性能的影响EI

为了确定Ni3Al基合金IC6E中最佳的铝含量,在成分为Ni-14.0Mo-7.2Al-0.025B(质量分数/%,下同)的母合金中,分别加入了四种不同含量的铝(0%,0.4%,0.6%,0.8%),测定了这些合金的室温拉伸和1050℃/90MPa高温持久性能,并采用扫描电镜分析了这些合金的微观组织。综合考虑这些合金的微观组织以及力学性能,确定了在IC6E合金中最佳的铝含量为7.8%。     

SiC-Ni 双涂层的界面反应对 C/Al 复合材料力学性能的影响

研究了不同工艺条件下具有 SiC-Ni 双涂层的碳纤维增强 Al 基复合材料的界面反应、界面结构及其对复合材料力学性能的影响,分析了不同界面条件下复合材料的典型破坏过程。实验表明:以 SiC 涂层作为界面反应阻挡层,可有效地阻止纤维与基体的反应,保证 C/Al 复合材料在界面反应很严重的情况下仍能保持较高的强度水平。初步提出了这种复合材料保持较高强度的原因和断裂机制。     

Al、Mo含量对铸造钛合金力学性能的影响

运用正交实验 ,考察了Al、Mo含量对Ti Al Mo 1Zr系铸造钛合金力学性能的影响。试验结果表明 :随Al、Mo含量提高 ,铸造合金的强度增加 ,塑性和冲击韧性降低 ,但Al、Mo的交互作用却使合金塑性提高 ,强度和冲击韧性降低     

磁控溅射V-Al-Ta-N四元涂层结构和性能研究

利用磁控溅射法制备出不同成分的(VAl)_(1-x)Ta_xN涂层,用X射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜表征涂层微观结构,利用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测试了Ta含量对涂层的力学性能和摩擦磨损性能的影响。研究表明:Ta含量x≤0.31时,涂层为(111)结构,且硬度较低;当x≥0.57时,(111)结构完全消失,涂层呈现(200)择优取向,此时涂层变得较为致密,硬度和模量均得到明显提升,韧性也有显著提高。摩擦磨损实验表明Ta含量的增加能够降低涂层的摩擦系数,但同时也会增大涂层的磨损率。     

Al含量对(Ti,Al)N涂层结构性能的影响

(Ti，A1)N是20世纪80年代末期在TiN基础上发展起来的一种新型多元涂层材料。由于加入Al元素，(Ti，Al)N不但硬度、耐磨性优于TiN，而且大大改善了涂层的抗高温氧化性能。综述了Al元素在(Ti，Al)N涂层中的作用机理，以及Al含量对(Ti，Al)N涂层的晶体结构、抗高温氧化、硬度和耐磨性的影响。指出当Ti和Al的比例近似为1：1时，(Ti，Al)N涂层将获得优越的综合使用性能。     

V含量对磁控溅射CrAlVN涂层微观结构及力学和摩擦学性能的影响

采用磁控共溅射工艺在火炮身管PCrNi3Mo钢材料表面沉积了(Cr0.5Al0.5)1-xVxN(x=0%~10.6%,原子分数)涂层。利用电子探针显微分析仪(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)对涂层的组成、微观形貌与相结构进行了表征,研究了V含量对涂层微观结构和形貌的影响。结果表明V的加入使得涂层中出现了CrVN新晶相,且随着V含量的增加CrVN特征峰越来越明显,晶粒簇尺寸减小,V元素起到了一定的细化晶粒簇作用。利用纳米压痕仪及摩擦试验机对涂层的硬度、弹性模量和摩擦系数进行了测试,研究了V含量对(Cr0.5Al0.5)1-xVxN涂层性能的影响。结果表明V含量在7.2%时涂层硬度和弹性模量达到最大值,分别为21.36GPa和297.8GPa;随着V含量的增加,涂层的摩擦系数逐渐减小,当V含量在10.6%时,涂层摩擦系数平均值为0.094,表现出良好的摩擦磨损性能。     

溅射气压对碳化钒薄膜微结构与力学性能的影响

采用碳化钒靶的磁控溅射方法在不同的Ar气压下制备了一系列碳化钒薄膜,利用能量分析光谱仪,X射线衍射,扫描电子显微镜,原子力显微镜和微力学探针研究了气压对薄膜成分、相组成、微结构以及力学性能的影响。结果表明磁控溅射VC陶瓷靶可以方便地制备晶体态的单相碳化钒薄膜,并且溅射气压对薄膜的化学成分、相组成、微结构以及相应的力学性有较大的影响。在溅射气压为2.4~3.2 Pa的范围内,可获得结晶程度好和硬度与弹性模量较高的碳化钒薄膜,其最高硬度和弹性模量分别为28,269 GPa。低的溅射气压(0.32~0.9 Pa)下,所得薄膜结晶较差且硬度较低;过高的溅射气压(>4.0 Pa),薄膜的溅射速率降低,结晶变差,其硬度和弹性模量亦随之降低。低气压下薄膜碳含量较高和高气压下溅射原子能量降低可能是薄膜结晶程度降低的主要原因。     

Preparation of B-C-N films by magnetron sputtering with different N2/Ar flow ratio

Amorphous B-C-N films were fabricated on silicon (100) substrates using radio frequency reactive magnetron sputtering technique with variable N₂/Ar flow ratios. The structures, chemical bonding and mechanical properties were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and nanoindentation. We found that the N concentration is insensitive to the increment of N₂/Ar flow ratio while the B concentration decreases and C concentration increases. All B-C, C-N, and B-N bond contents increase as the N₂/Ar flow ratio varies from 1/10 to 5/10. Further improving the N₂/Ar flow ratio will promote N atoms prior to bonding with C, resulting in decreased B-C and increased C-N bond content, respectively. The changes of bond content lead to a shift of the main peaks of B1s, C1s, and N1s spectra toward higher binding energies. The hardness of B-C-N thin films is almost invariant with the N₂/Ar flow ratio.     

射频反应溅射(Al,Ti)N涂层的微结构与力学性能

采用Al-Ti镶嵌复合靶在不同氮分压下制备了一系列(Al,Ti)N涂层,并采用EDS,AFM,XRD,TEM和微力学探针表征了涂层的沉积速率、化学成分、微结构和力学性能,研究了氮分压对涂层的影响.结果表明,氮分压对(Al,Ti)N涂层影响显著:合适的氮分压可以得到化学计量比的(Al,Ti)N涂层,涂层为单相组织,并呈现(111)择优取向,最高硬度和弹性模量分别达到36.9GPa和476GPa.过低的氮分压不但会造成涂层贫氮,而且涂层中的Al含量偏低,硬度不高.氮分压过高,由于存在"靶中毒"现象,尽管涂层的成分无明显变化,但会大大降低其沉积速率,并使涂层形成纳米晶或非晶态结构,涂层的硬度也较低.     

氮分压对反应溅射(Ti,Al)N薄膜微结构与力学性能的影响

采用Ti-Al复合靶在不同氮分压下制备了一系列(Ti,Al)N薄膜,用EDS、XRD、TEM和微力学探针表征了薄膜的沉积速率、化学成分、微结构和力学性能.结果表明,氮分压对(Ti,Al)N薄膜影响显著:合适的氮分压可以得到化学计量比的(Ti,Al)N薄膜,薄膜为单相组织,并呈现(111)择优取向,最高硬度和弹性模量分别达到34.4GPa和392GPa;过低的氮分压不但会造成薄膜贫氮,而且薄膜中的Al含量偏低,硬度不高;过高的氮分压下,由于存在"靶中毒"现象,尽管薄膜的成分无明显变化,但会大大降低其沉积速率,并使薄膜形成纳米晶或非晶态结构,薄膜的硬度也较低.     

Si含量对VAlSiN涂层微结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响

采用反应磁控溅射技术,在300℃下制备不同Si含量的VAlSiN涂层。研究Si含量的变化对VAlSiN涂层相结构、生长形貌、化学状态、力学性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明:不含Si的VAlN涂层呈现(111)择优取向生长。随着Si含量的增加,VAlSiN涂层的(111)择优取向逐渐消失,最终转变为非晶结构。Si含量大于1.8%(原子分数,下同)的VAlSiN涂层是由nc-VAlN和a-Si_3N_4组成的多相复合涂层。与VAlN涂层相比,添加少量Si(0.8%)的VAlSiN涂层晶粒尺寸减小,致密度得到提高,对应的涂层硬度也得到显著增大,达到30.1GPa。继续增加Si的含量,VAlSiN涂层的柱状生长结构被打断,硬度逐渐下降,最后稳定在22GPa左右。VAlSiN涂层的摩擦因数随着Si含量的增加先降低后升高。当Si含量为0.8%时涂层的磨损率最低,达1.2×10~(-16)m~3·N~(-1)·m~(-1)。     

工作气压和基底偏压对ZrB2/AlN纳米多层膜结构和机械性能的影响

利用射频磁控溅射技术在不同工作气压和不同基底偏压条件下在Si(100)基底上设计合成了ZrB2/AlN纳米多层膜。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、纳米力学测试系统和表面轮廓仪分析了工作气压和基底偏压对薄膜的微结构和机械性能的影响。结果表明:大部分ZrB2/AlN多层膜的纳米硬度与弹性模量值高于两种个体材料的混合值。当工作气压为0.4Pa,基底偏压为-60 V时,制备的薄膜具有最高的硬度(36.8 GPa)、最高的弹性模量(488.7 GPa)和最高的临界载荷(43.6 mN)。基底偏压的升高和工作气压的降低会使沉积粒子的动能提高,引起薄膜表面原子迁移率提高,导致薄膜的原子密度提高,起到位错钉扎的作用,晶粒尺度也被限制在纳米尺度,这些均对提高薄膜的硬度和抗裂强度起到了作用。     

梯度纳米CrAlN复合涂层的承载失效行为研究

采用等离子体浸没离子注入与沉积技术,设计制备梯度纳米CrAlN复合涂层,利用X射线衍射仪、透射电子显微镜、纳米探针和理论计算分析等方法,系统研究涂层微观组织结构、力学性能和承载失效行为。研究表明:梯度纳米CrAlN涂层具有优异的纳米力学性能,并显著提高镁合金表面承载能力。动态承载过程中,接触载荷诱发金属Al和AlN界面高应力状态,Al金属层承受强烈的弹-塑性变形,当界面应力大于Al金属层屈服极限时,在靠近Al/AlN界面处萌生疲劳裂纹并最终导致涂层体系承载失效。本研究成果为软基体表面高强韧梯度复合涂层的结构设计提供重要理论依据。