痕法测定 TiAlN 涂层结合强度的研究

采用磁控溅射法在不锈钢表面制备了TiAlN涂层,采用压入法及划痕法表征了涂层的结合强度。分析表明,压入法只能作为一种定性的测定方法,该法测得TiAlN涂层的结合强度达到HF3。划痕法结合了声信号、摩擦力信号和划痕微观形貌,可以定量测定结合强度,该法测得在压头曲率半径为200μm的情况下,TiAlN涂层的临界载荷达到13 N,比传统TiN涂层提高了45%。     

不同拉伸速度下的碳布/环氧树脂复合材料声发射评价

采用电子万能实验机控制,分别以1、2、5 mm/min的加载速度对碳布/环氧树脂复合材料进行拉伸,在拉伸过程中用声发射检测设备采集拉伸过程中产生的声发射信号,建立采集的声发射信号特征与时间、载荷的相关图,通过对相关图的分析,判断碳布/环氧树脂材料在拉伸过程中的损伤情况,并结合相关图分析不同拉伸速度对碳布/环氧树脂复合材料的影响,判定碳布/环氧树脂复合材料的临界失效载荷。结果表明:声发射检测可用于评价复合材料加载过程中的损伤情况,可将最大承载载荷的70%～80%作为碳布/环氧复合材料的失效参考载荷。     

Al含量对TiAlN涂层结合强度的影响

采用阴极电弧蒸发工艺在WC-6Co硬质合金表面制备Ti0.5Al0.5N、Ti0.45Al0.55N和Ti0.4Al0.6N涂层,采用声发射划痕仪测定涂层的结合强度。研究了Al含量对TiAlN涂层结合强度的影响及机理,并分析了TiAlN涂层的失效模式。结果表明,随Al含量增加,Ti1-xAlxN(x=0.5~0.6)涂层结合强度下降。TiAlN涂层结合强度受涂层残余应力与膜基硬度差的影响。Ti0.5Al0.5N涂层残余应力较小,且膜基差异性最小,结合强度最高。Ti0.5Al0.5N和Ti0.45Al0.55N涂层均为楔形剥落,Ti0.4Al0.6N涂层则为屈曲剥落。Al含量增加降低TiAlN涂层结合力,但有利于改善涂层韧性。Ti0.4Al0.6N涂层因含少量较软的h-Al N相,其韧性明显提高。     

热轧304不锈钢氧化皮层间及界面结合强度研究

通过对热轧304不锈钢沿轧制方向和宽度方向进行划痕试验，对氧化皮剥落过程及界面结合强度进行了研究。采集了划痕过程中的声发射信号和摩擦因数，结合氧化皮破裂过程中的显微形貌，测定了内外氧化层间以及氧化皮与基体间的界面结合力，分析比较了沿不同方向层间及界面结合强度的差异，计算得出氧化皮的界面结合强度。结果表明，氧化皮为两层结构，造成在划痕试验过程中声发射信号发生2次突变，摩擦因数也分为3个阶段。受残余应力影响，临界载荷沿宽度方向比沿轧制方向大。结果还表明，沿轧制方向氧化皮层间及界面结合强度分别为114和112 MPa,沿宽度方向的分别为155和121 MPa,沿轧制方向喷射强度比沿宽度方降低了20%左右，因此说明除鳞过程中喷浆方向沿轧制方向有利于能耗降低和氧化皮去除。     

Ti6Al4V表面TiN/Ti复合膜的制备及摩擦学性能研究

采用直流磁控溅射法在Ti6Al4V表面制备TiN/Ti复合膜。分别用FESEM、GDEOS和XRD分析薄膜表面的成分及相结构;利用划痕仪分析膜基结合强度;通过球盘磨损机和轮廓仪测试磨痕形貌和磨损体积,评价膜层的摩擦学性能。结果表明,TiN/Ti复合膜表面致密光滑,呈金黄色金属光泽;膜基结合强度大于100 N;表面镀有TiN/Ti复合膜的Ti6Al4V合金虽没有减磨作用,但提高了耐磨性。     

钛表面等离子体氧化膜及其抗划擦性能

对纯钛表面在不同电压下制备了等离子体氧化膜，采用声发射监控的划痕法研究了等离子体氧化膜的临界载荷Lc。形貌和成分分析显示随着电压的升高试样表面的放电气孔孔径尺寸变大，同时在高电压下出现少量的CaTiO3；划痕试验表明临界载荷Lc随电压的升高而降低。     

铜基体上类石墨膜结合强度评价及其与干摩擦性能关系

用非平衡磁控溅射离子镀技术在铜合金上制备了不同Ti含量的类石墨碳膜,用维氏压入、洛氏压入、划痕等方法测试薄膜的附着性能,用高速线性往复磨损实验机检测薄膜的干磨性能,并用光学显微镜、白光干涉仪观察磨痕。结果表明:压痕法更适合评价软基体上硬膜的结合强度,且维氏压入法因加载载荷较小,基体塑性变形小,评定的结合强度与干摩擦磨损时膜基体系的耐磨性具有对应关系。当靶电流为0.2 A时,铜合金上的类石墨膜与对磨球的摩擦系数和磨损率达最小值,分别为0.14和2.89×10~(-16)m~3/(N·m)。划痕法不适合用来快速评定和预测软基硬膜体系的结合强度。载荷较小的维氏压入法具有更好的结合强度鉴别区分度。     

复合离子镀TiCN薄膜的结构与力学性能

采用多弧离子镀和磁控溅射复合技术在304不锈钢基体表面制备了Ti CN与Ti N薄膜,研究了工艺参数中氮分压对Ti CN薄膜表面形貌、粗糙度、沉积速率、物相结构、力学性能的影响规律。结果表明:不同氮分压下所制备的Ti CN薄膜表面平整、致密,氮分压对表面形貌影响不大;随着氮分压的升高,Ti CN薄膜的表面粗糙度先减小后增加,在0.4 Pa时达到最小值为0.185μm,而沉积速率一直降低。Ti CN薄膜主要由fcc-Ti N型Ti CN相组成,随着氮分压的增大出现(111)晶面择优取向;薄膜的显微硬度先增大后减小,在氮分压0.4 Pa时为3008 HV0.025,而膜基结合力呈线性上升趋势。Ti CN薄膜的耐磨性优于Ti N薄膜,且薄膜的平均摩擦因数随着氮分压的增加不断降低,抗摩擦磨损性能逐渐增强,在氮分压为0.4 Pa时,薄膜平均摩擦因数与磨损率分别为0.335和5.53×10-6mm3·N-1·m-1,具有更好的耐磨性。     

基于声发射检测的碳布／环氧树脂复合材料压缩损伤评价

用声发射仪器监测二维编织碳布／环氧树脂复合材料的压缩损伤过程。通过载荷与声发射特征关系图,判断出其在损伤过程中的临界失效载荷,作为判断材料临界损伤强度的依据。通过对碳布／环氧树脂复合材料在压缩损伤过程中产生的声发射信号进行小波包分解,并对信号进行频谱分析以及对小波包分解后的各层进行能量分析,得出了声发射源即纤维断裂信号、基体断裂信号和层间开裂信号的频率分布范围。     

铝合金表面TiN涂层的干摩擦磨损性能研究

采用多弧离子镀技术在铝合金表面沉积了Ti N薄膜。利用球盘摩擦磨损试验仪研究了载荷和转速对Ti N薄膜的摩擦磨损性能的影响。试验以Si3N4为对磨体,磨损半径为5mm,试验环境为室温。结果表明:存在一临界载荷,使得摩擦系数和磨损量产生突变;转速增加,摩擦因数基本不变,但磨合时间有所缩短。利用SEM观察磨痕形貌,对磨损机理进行了分析。随着载荷和转速的增加,Ti N薄膜的磨损机制从轻微粘着磨损逐步向磨粒磨损转变。     

Deposition,microstructure and hardness of TiN/(Ti,Al)N multilayer films

In this work, TiN/(Ti,Al)N multilayer films were deposited on stainless steel substrates with alternatively switching Ti and TiAl alloy targets sources on and off by pulse biased arc ion plating. The crystallography structures and cross-sectional structures of TiN/(Ti,Al)N multilayer films were evaluated by X-ray diffraction analysis (XRD) and by TEM, respectively. The hardness and film/substrate adhesion were determined by nanoindentation and scratch test, respectively. A complex set of microstructures has been found between TiN and (Ti,Al)N layers, at the interface, another layered interfacial region which consists of extremely fine sub-layers, which results from the rotation of the specimen in the deposition chamber. The hardness values of the multilayers exhibit higher hardness compared with that of monolithic (Ti,Al)N film.     

几种金属材料的腐蚀磨损研究

<正> 腐蚀磨损是指摩擦过程中材料与介质发生化学或电化学反应并产生材料流失的磨损现象。在侵蚀性介质中工作的摩擦副如各类泵及阀门的密封面等部件往往因腐蚀及磨损的双重作用而过早失效,因此这类问题很受人们重视。 Uhlig对腐蚀与微动损伤的相互作用进行过讨论。等对某些高合金钢的府蚀磨损性能作过较系统的评价,并建立了实验设备。欲了解材料的腐蚀磨损性能,除了要弄清楚它在介质中的化学及电化学行为外,还要了解受机械力作用时材料表面或表面膜的变形及流失过程。更主要的是两者间的关系。因此,Kim及Bhattacharyya研究了不锈钢在NaCl介质中磨损及摩擦参数对电化学行为的影响。为了研究腐蚀磨损的瞬态过程而建立物     

非金属材料表面化学镀中活化工艺的改进及发展方向

通过对TiN膜层上和膜层中微液滴的观测,探讨了微液滴对膜层和基底结合力产生的影响,并分析了划痕试验中微液滴破损和膜层剥落之间的关系。在丹普公司开发的AS700DTXB型计算机自动控制离子镀膜机上,通过调整镀膜工艺参数、控制微液滴的尺寸,明显改善了TiN膜层和基底(高速钢和模具钢)的结合力。采用不同的划痕仪检测临界载荷Lc2可以稳定在100N,或者更高;分析和探讨了膜基结合力国内外不同的检测判据和规范。根据实际测量中的经验积累和结果分析,提出了对国内测量标准的修改意见。     

离子氮化高速钢沉积掺钨类金刚石薄膜的摩擦磨损性能研究

目的 探究湿度和加载载荷对氮化高速钢基体上沉积掺钨类金刚石薄膜的摩擦磨损性能的影响.方法 通过非平衡磁控溅射技术在氮化处理后的高速钢基体上制备了掺钨类金刚石(W-DLC)薄膜.利用纳米压痕仪和划痕实验检测了薄膜的硬度和结合力,通过摩擦磨损实验检测了不同湿度(30％和60％)和不同载荷(10、20、30、40 N)条件下薄膜的摩擦系数和磨损率,利用扫描电子显微镜对摩擦磨损后的形貌与成分进行了观察与分析,并利用拉曼光谱对磨屑的结构进行了分析.结果 在湿度为30％和60％的条件下,薄膜的摩擦系数均随着摩擦载荷的增加呈现先增加后降低的规律,且在载荷为30N取得最小值;磨损率均随着载荷的增大而增加,且湿度为60％条件下薄膜的磨损率大于湿度为30％条件下的磨损率.磨屑产物的拉曼光谱结果显示,摩擦过程导致薄膜发生石墨化转变,而载荷和湿度对磨屑结构的影响不大.结论 高速钢基体进行离子氮化后,可以明显提高掺钨类金刚石薄膜的硬度和结合力.     

金属和陶瓷配副件条件下TiN薄膜的摩擦学特性

多弧离子镀TiN薄膜具有广泛的应用.采用多弧离子镀技术在不锈钢衬底表面沉积了TiN薄膜.用显微硬度计测试了TiN薄膜的硬度,用往复球-盘式摩擦磨损试验机评价了在GCr15和Si3N4两种不同配副件及空气中干摩擦条件下TiN薄膜的摩擦学性能,用表面轮廓仪测试了磨痕处的磨痕轮廓,用配有能谱仪(EDS)的扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)观察和测试了磨痕形貌和磨痕处主要化学元素组成,用金相显微镜观察了配副件磨损表面形貌.结果表明:在不同配副件条件下,TiN薄膜的摩擦因数随速度和载荷的增加均出现了降低的趋势.而在相同速度和载荷下,以GCr15为配副件时TiN薄膜的摩擦因数小于以Si3N4为配副件时的摩擦因数.以Si3N4为配副件时TiN薄膜主要表现为磨粒磨损.以GCr15为配副件时TiN薄膜几乎没有磨损,而配副件GCr15主要表现为磨粒与粘着磨损.     

离子束增强沉积TiN薄膜界面结合强度的研究

采用划痕法测定了离子束增强沉积ＴｉＮ薄膜的界面结合力。结果表明，由于在离子束增强沉积过程中ＴｉＮ薄膜和基体之间生成一层厚约３０～４０ｎｍ的过渡层，从而大大改善了涂层的界面结合强度，其临界载荷可达１４０Ｎ，为一般ＰＶＤ和ＣＶＤ方法所生成的ＴｉＮ膜的３～４倍，并且发现它并不随膜厚的增加而变化。     

恒电位对TiN涂层在人工海水环境中腐蚀磨损的影响

目的研究不同恒电位对TiN涂层在人工海水环境中腐蚀磨损行为的影响。方法用多弧离子镀系统在316不锈钢上沉积TiN涂层。通过XRD测试、纳米压痕硬度测试、膜基结合力测试、电化学工作站测试、不同恒电位下磨蚀实验和涂层的磨痕截面轮廓测试,分别评价TiN涂层的相结构、硬度、结合力、电化学性能、摩擦系数、磨损率,并通过扫描电子显微镜对涂层表面形貌、截面形貌和磨痕形貌进行分析。结果在摩擦条件下,TiN涂层的开路电位随着滑动摩擦时间的增加而逐渐降低。TiN涂层在不同恒电位(-1V、-0.5 V、OCP、0 V)下滑动摩擦,平均摩擦系数分别为0.392,0.416、0.324、0.348。磨损率分别为1.8117×10-6、3.1123×10-6、4.5958×10-6、7.7724×10-6 mm3/(N·m)。在0.5 V下,涂层被磨穿。TiN涂层在人工海水环境中的主要腐蚀磨损破坏机制为磨粒磨损和疲劳点蚀。结论提高加载电位,涂层的磨损量和磨损率同步增大。在-1、-0.5 V,OCP下,由腐蚀促进磨损的损失量占TiN涂层损失总量的比重逐渐增大,依次为0%、41.78%、61.77%。在0 V时,TiN涂层产生了由磨损促进腐蚀的损失量,占TiN涂层损失总量的比例为6.1%。     

TiAlN,TiAlSiN涂层的制备及其切削性能

目的研究TiAlN及TiAlSiN涂层的微观结构及力学性能,以及硬质合金涂层刀具切削SUS304不锈钢的切削性能及磨损行为。方法采用阴极电弧离子镀技术在硬质合金试片及铣刀上分别制备纳微米TiAlN及TiAlSiN涂层。通过X射线荧光测量系统测量涂层的厚度,用扫描电镜(SEM)观察涂层表面形貌,用能谱仪(EDAX)分析涂层元素成分,用X射线衍射(XRD)分析涂层晶相结构,用纳米压痕仪表征涂层硬度,用洛氏硬度计定性测量涂层结合力,通过高速铣削试验探究涂层刀具的切削性能及磨损行为。结果 TiAlN及TiAlSiN涂层的厚度分别为3.32μm和3.35μm,表面致密、光滑,高分辨率(20 000×)下观察到涂层表面有液滴、针孔及凹坑存在。Si元素促进了Ti N(200)晶相的生长,晶粒尺寸减小,硬度增加。TiAlN及TiAlSiN涂层的显微硬度分别为29.6 GPa及37.7 GPa,结合力分别满足VDI-3198工业标准的HF3和HF1等级。在130 m/min的高速切削条件下,TiAlSiN涂层刀具寿命约为未涂层刀具的5倍,TiAlN涂层刀具的1.5倍。结论 Si掺杂制备的TiAlSiN涂层具有高的硬度及良好的抗粘附性,更适用于不锈钢材料的高速切削加工。     

Nano-multilayer Ti-Zr-N coating by a central configured multi-arc coating process

In this work, a novel arc ion plating (AIP) system, consisting of a centrally configured multi-arc source array (CCMA), is developed. This system is aimed to satisfy the present industrial demands for the large-scale production of multicomponent, multilayered, and superlattice coatings. The central array is made up of three flat, independently powered, arc sources. These form a triangular pillar.The newly developed CCMA AIP system is used to deposit TiN/ZrN coatings, in order to evaluate its performance. The surface hardness of the specimens is measured by micro Vickers indentation. A scratch test is used to determine the adhesive strength of the coatings. Scanning electron microscopy (SEM) is used to observe the cross-sectional morphology and to measure the film thickness. An energy dispersive spectrometer (EDS) is used to characterize film composition. The crystal structures of the coatings are characterized by an X-ray diffractometer and transmission electron microscope (TEM).The deposited coatings range from a micro- to nano-layered (TiN/ZrN) structure as the rotation speed of the substrate table was increased. Each layer exhibits a (111) preferred orientation. At rotating speeds in excess of 10 rpm, a nano-multilayered Ti(Zr)N structure is formed, again with each layer having (111) preferred orientation. At the highest rotation speeds the greatest surface hardness and film adhesion strength are attained. This is attributed to the maximized stress accommodation of the nano-multilayer structure, through the different shear elastic modulus of each layer. This research demonstrates that this novel CCMA AIP system is highly flexible in coating material design and capable of mass production.