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。     

多弧离子镀的工艺参数对TiAlN膜层性能的影响

研究了直流偏压、脉冲偏压、占空比、弧电流和氮气流量对多弧离子镀制备TiAlN涂层结合力和硬度的影响。结果表明,影响TiAlN涂层结合力的因素按重要性排序依次为脉冲偏压、占空比、弧电流、氮气流量、直流偏压。影响TiAlN涂层显微硬度的因素按重要性排序依次为占空比、脉冲偏压、弧电流、氮气流量和直流偏压。     

DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响

为提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能,采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)离子源注入与磁过滤真空阴极弧(FCVA)沉积复合技术、磁控溅射技术在TC4钛合金表面制备DLC、TiN涂层。采用SEM、Raman、XRD、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的物相结构、硬度、弹性模量以及与基体的结合力进行表征。在冲蚀试验平台上考核试样在不同入射角度条件下的抗砂尘冲蚀性能。结果表明:DLC涂层表面结构致密,含有大量sp3键,硬度为62.1 GPa,弹性模量为391.64 GPa,结合力达80.4 N;TiN涂层表面存在许多熔滴颗粒及空穴,硬度为22.72 GPa,弹性模量为383.18 GPa,结合力达34.7 N。30°冲蚀条件下,涂层主要是通过提高基体表面硬度来抵抗砂尘粒子的微切削作用,从而提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能。90°冲蚀条件下,涂层通过延缓基体的塑性变形来实现TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的提高。     

钛合金切削用Ti_(1-x)Al_xN涂层的制备及其切削性能研究

采用磁控溅射法制备了不同Al含量的Ti1-xAlxN涂层.经XRD,SEM,EDX和纳米压痕仪分析发现,Al含量在0.50~0.58(原子分数,下同)之间时,Ti1-xAlxN涂层为(111)择优生长的fcc结构.当Al含量增加到0.63时,涂层中有六方纤锌矿结构的Al N生成,涂层硬度降低.另外,随着Al含量的增加,涂层表面颗粒尺寸变大,涂层变疏松.钛合金切削实验表明,涂层刀具的磨损形式主要为黏结磨损和崩刃.在低速切削(65 m/min)时,Ti0.50Al0.50N涂层刀具的切削性能略好于无涂层刀具,并且都好于Ti0.42Al0.58N和Ti0.37Al0.63N涂层刀具.在高速切削(100 m/min)时,Ti0.50Al0.50N涂层刀具有最好的切削性能,其切削距离比无涂层刀具提高4倍多.这主要因为Ti0.50Al0.50N涂层表面致密、硬度高,在钛合金切削时形成的切屑瘤致密而整齐.     

中频-直流磁控溅射铝涂层微米压入特性及低温循环性能

为预防TC4钛合金紧固件与机身铝合金之间产生电偶腐蚀,采用中频-直流磁控溅射技术在钛合金表面制备铝涂层,利用SEM、EDS进行微观形貌和成分分析,采用拉伸和划痕法评价涂层结合性能,使用微米压痕法研究涂层硬度、压痕蠕变和循环力学行为,并对涂层进行低温循环性能测试。结果表明:涂层的拉伸结合强度为61.75 MPa,划痕结合力为(2.46±0.37)N,70 m N下硬度为(0.348±0.015)GPa。压痕蠕变加载时间由5 s增加到30 s,蠕变位移从87.0 nm减小至49.3 nm,保载时间由5 s增加到30 s,位移从27.8 nm增大到92.9 nm,硬度随加载及保载时间增加均下降,随循环保载时间和循环次数增加均降低。当保温时间从1 h增加到6 h,划痕形貌由耕犁状向切削状转变,边缘剥离程度加大,末端堆积增加;涂层结合力下降,硬度先升高后降低。     

电弧离子镀电磁线圈电压对TiAlN涂层结构及性能的影响

目的 揭示电弧离子镀过程中,电磁和永磁复合磁场耦合作用下电磁线圈偏压对TiAlN涂层结构及性能的作用规律,优化TiAlN涂层制备工艺。方法 采用电弧离子镀技术在M2高速钢基体表面沉积高Al含量Ti0.33Al0.67N涂层（TiAl靶,原子数分数,Ti∶Al=1∶2）。改变电磁线圈电压,研究涂层微观组织结构、表面粗糙度、硬度、膜/基结合力和耐磨性的变化规律。结果 在15~45 V范围内,电磁线圈电压小于30 V时,Ti0.33Al0.67N涂层内部致密;线圈电压大于30 V时,涂层内部变得疏松。线圈电压为15 V时,TiAlN涂层表面粗糙度最小,为0.2 μm。随着线圈电压升高,Ti0.33Al0.67N涂层硬度增大,线圈电压为45 V时,Ti0.33Al0.67N涂层硬度达到最大,为3866HV0.025。随着线圈电压的升高,Ti0.33Al0.67N涂层膜/基结合力及耐磨性先增加后减小,线圈电压为15 V时,结合力最高,为95.4 N,磨损率达到最低,为1.62×10-15 m3/(N?m)。结论 在线圈电压较小时,随着电压的升高,作用于阴极靶材的磁场强度增加,阴极弧斑速度加快,每个弧光点维持时间缩短,能量降低,离化率升高,溅射出的液滴数量减少,涂层结构致密,粗糙度降低,硬度和耐磨性能升高;随着线圈电压进一步升高,磁场强度继续增大,弧斑运动受到的磁性束缚力增大,弧斑运动半径向靶材中心收缩,作用于固定位置的弧光累计时间更长,离化率降低,液滴增多,涂层综合性能下降。     

等离子体增强磁控溅射CrSiN涂层摩擦磨损行为

目的基于细晶强化理论,借助新型涂层制备技术获得综合性能优良的CrSiN涂层,研究Si含量对涂层微观结构、力学性能及耐磨性能的影响规律。方法采用等离子体增强磁控溅射技术,制备四种含有不同Si含量的Cr Si N涂层。使用X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM),分析涂层的化学成分、晶体结构、微观形貌和表面粗糙度。使用纳米压痕/划痕仪测试涂层的显微硬度、杨氏模量和结合力。使用摩擦磨损试验仪考察涂层的摩擦磨损行为。结果 Cr Si N涂层中Si含量随着Si靶功率的增加而增加。所有涂层中均未检测到含Si物相,主要由Cr N相组成。随着Si含量的增加,CrN(111)衍射峰逐渐减弱直至消失,涂层由疏松的三角锥结构逐渐变为致密平整的CrN纳米晶和Si3N4非晶共存的复合结构,涂层表面粗糙度显著降低,涂层的显微硬度、杨氏模量、结合力及耐磨性能均呈现先增后降的趋势。结论 Si含量为18.5%的Cr Si N涂层具有最佳的耐磨性能,此时涂层的硬度、杨氏模量、结合力和平均摩擦系数分别约为27 GPa、327 GPa、30 N和0.289。     

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。     

C掺杂TiAlN涂层的硬度演变机理EI北大核心CSCD

C元素掺杂TiAlN涂层的增硬机理尚不明确,为了揭示C元索对涂层硬度的作用规律,采用阴极电弧离子镀膜技术在316不锈钢表面制备C原子比率分别为0%、3.87%、9.24%、14.76%、20.57%、25.90%的TiAlCN涂层,通过试验研究和密度泛函理论系统地从原子量级角度阐述C掺杂对涂层硬度的作用规律及机理。研究结果表明:C原子会置换TiAlN晶胞中的部分N原子形成TiAlCN固溶体相:随着C含量的增加,涂层硬度呈现先上升后下降的趋势,在C含量为14.76%时,涂层中Ti-N键转化成为Ti-C键的数量达到饱和,硬度达到最高值31.60GPa;当C原子含量高于14.76%时,涂层中出现类石墨结构,且随着C含量的增加,sp^(2)层状结构增多,在抵抗外界压力时石墨层发生侧滑,涂层硬度降低;第一-性原理数值模拟结果显示,随着C含量从0%增加到15.625%,涂层硬度逐渐上升是由于共价性较强的Ti-C键逐渐增加。阐明C元素掺杂对涂层硬度的作用变化规律,有利于指导超硬涂层的工艺设计和生产。     

不同碳含量掺杂对多弧离子镀CrCN涂层摩擦学性能的影响

采用多弧离子镀技术在304不锈钢和单晶硅片上沉积Cr CN涂层,通过改变乙炔流量(20~60 sccm)来控制涂层中的碳含量,利用SEM、XRD、XPS、纳米压痕仪、划痕测试仪及摩擦磨损试验对涂层的微观结构及性能进行了对比研究,分析了不同碳元素的含量对涂层组成及性能的影响。结果表明,随着碳含量的增加,各衍射峰整体呈现出下降趋势,涂层由晶态向非晶态转变,化学成分出现明显变化;当乙炔流量为40 sccm时,硬度、弹性模量和结合力达到最高,分别为25 GPa、345 GPa及77 N。与此同时,随着乙炔流量的增加,涂层的摩擦因数及磨损率呈现出先递减后递增的趋势,在乙炔流量为40 sccm时达到最低,涂层表现出较优异的摩擦学性能。     

Structure and wear resistance of TiN and TiAlN coatings on AZ91 alloy deposited by multi-arc ion plating

In order to investigate the microstructure of TiN and TiAlN coatings and their effect on the wear resistance of Mg alloy, TiN and TiAlN coatings were deposited on AZ91 magnesium alloy by multi-arc ion plating technology. TiN and Ti70Al30N coatings were prepared on the substrate, respectively, which exhibited dark golden color and compact microstructure. The microstructures of TiN and Ti70Al30N coatings were investigated by X-ray diffractometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The micro-hardness and wear resistance of TiN and Ti70Al30N coatings were investigated in comparison with the uncoated AZ91 alloy. The XRD peaks assigned to TiN and TiAlN phases are found. The hardness of TiN coatings is two times as high as that of AZ91 alloy, and Ti70Al30N coating exhibits the highest hardness. The wear resistance of the hard coatings increases obviously as result of their high hardness.     

Effect of bias voltage on microstructure,mechanical and tribological properties of TiAlN coatings

TiAlN multilayer coatings composed of TiAl and TiAlN layers were deposited on ZL109 alloys using filtered cathodic vacuum arc (FCVA) technology. The effect of bias voltage on the microstructure and properties of the coating was systematically studied. The results show that the coating exhibits a multi-phase structure dominated by TiAlN phase. As the bias voltage increases, the orientation of TiAlN changes from (200) plane to (111) plane due to the increase of atomic mobility and lattice distortion. The hardness, elastic modulus and adhesion of the coating show the same trend of change, that is, first increase and then decrease. When the bias voltage is 75 V, the coating exhibits the highest hardness (~30.3 GPa), elastic modulus (~229.1 GPa), adhesion (HF 2) and the lowest wear rate (~4.44×10^?5 mm³/(N·m)). Compared with bare ZL109 alloy, the mechanical and tribological properties of TiAlN coated alloy surface can effectively be improved.     

PVD涂层刀具高速铣削CoCrMo合金的性能研究

目的为了提高涂层硬质合金刀具的切削性能,研究了物理气相沉积PVD法制备的涂层硬质合金铣刀在高速干式环境下的铣削性能。方法采用阴极电弧技术制备了TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层硬质合金铣刀刀头,通过一同沉积涂层的硬质合金圆片,间接测量得出涂层的显微硬度、厚度和平均摩擦系数,并以CoCrMo合金为切削对象,进行了PVD涂层与无涂层刀具高速铣削下的对比试验。结果TiAlSiN显微硬度最高达3800HV,摩擦系数达0.3,TiAlN涂层平均膜厚为2μm,间接测得TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层的结合力依次为60、58、42N。在三者的切削性能中,TiAlSiN涂层的切削性能比TiAlN和TiN涂层的好,同等切削参数时,TiN刀具的高速铣削时间最短,TiAlSiN涂层的平均磨损值为0.1895,TiN的平均磨损值为0.3047。结论涂层中添加Al、Si,极大地提高了刀具的使用性能,改善了刀具切削过程中的耐磨性、红硬性,极大地延长了刀具的使用寿命。TiAlSiN涂层的硬度高,耐磨损性好,切削性能好,适合高速铣削加工。     

镁合金表面非平衡磁控溅射CrN镀层结合性能和摩擦磨损性能

采用不同偏压闭合场非平衡磁控溅射技术在镁合金表面沉积Cr-N镀层,分别对镀层的组织结构、厚度、结合性能和摩擦磨损性能进行了表征和分析。结果表明,镀层主要由Cr(N)相和少量Cr2N相组成。在偏压为60V时镀层具有较高的硬度、良好的结合性能和摩擦磨损性能。偏压进一步升高,虽然镀层硬度有所提高,但结合性能和抗磨性能均下降。     

Modified TiAlN coatings prepared by d.c. pulsed magnetron sputtering

Coatings like TiN or TiAlN are well established as hard and wear resistant tool coatings. These coatings often are prepared by PVD techniques like arc evaporation or d.c. magnetron sputtering. Typical micro hardness values of such hard coatings are in the range of 30 GPa. Compared to d.c. magnetron sputtering processes the pulsed magnetron sputter deposition technique could be shown as a clear advancement. Furthermore pure TiAlN hard coatings as well as TiAlN coatings modified by addition of elements like Si and Cr were prepared in order to improve the coating properties using the pulsed magnetron sputter technique in a batch coater equipped with 4 targets. Coatings prepared with the pulsed sputter process showed both high hardness and high wear resistance. The application potential of pulsed sputtered TiAlN coatings is demonstrated by turning test results of coated cemented carbide cutting inserts.Beside hardness and wear, other properties like adhesion or high temperature stability were determined. Cross sectional SEM images revealed the growth structure in dependence of the applied substrate bias and of the added elements. The chemical composition of the coatings was investigated by electron microprobe analysis and the phase and crystal size were determined by X-ray diffraction. Using the pulsed magnetron sputter process the coating properties, especially the hardness and the morphology, could be significantly improved. With indentation hardness values in the range of 40 GPa the region of super hard materials could be reached.     

钛合金表面激光熔覆AlBxCoCrNiTi高熵合金涂层的组织与性能

目的研究AlB_xCoCrNiTi(x=0、0.5、1)高熵合金涂层的组织及性能,提高钛合金表面硬度及耐磨性。方法采用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备出AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层,运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)等材料分析手段,研究了B含量对高熵合金涂层形貌、组织结构、成分的影响,并采用维氏硬度计以及摩擦磨损试验检测了熔覆涂层的硬度和耐磨性能。结果高熵合金涂层与基体的整体结合形貌良好。未添加B的高熵合金涂层主要由BCC相和晶体结构类似(Co,Ni)Ti_2相组成。随着B的加入,高熵合金涂层的晶粒得到细化,BCC相含量增加,(Co,Ni)Ti_2相含量有所减少,且熔覆层原位生成了TiB_2硬质相,TiB_2硬质相含量随B含量的增加而增加。熔覆涂层的硬度和耐磨性与B含量呈正相关关系,AlB_1CoCrNiTi高熵合金涂层的平均显微硬度最大,为814HV,且AlB_1CoCrNiTi高熵合金涂层的磨损量最小,其耐磨性约为未添加B的高熵合金涂层的7倍。结论 B含量的增加,有助于改善AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层的摩擦学性能,AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层有效提高了钛合金表面的硬度及耐磨性能。     

Improved properties of Ti-Al-N coating by multilayer structure

Multinary Ti-Al-N coatings are used for various applications where hard, wear and oxidation resistant materials are needed. Here, we prepare TiAlN/TiN nano-multilayer coatings with modulation period of ~ 20 nm in order to further improve the properties of Ti-Al-N coating. Annealing of both coatings up to 700 °C results in an increase in hardness due to the precipitation of cubic Al-rich domains by spinodal decomposition. Multilayer structure results in an increase in adhesion with substrates from ~ 72 N for Ti-Al-N single layer coating to 98 N for TiAlN/TiN nano-multilayer coating. Additionally, the interfaces of TiAlN/TiN nano-multilayer coating retard the outward diffusion of metal atoms (Al and Ti) and inward diffusion of O while exposing coatings in air atmosphere with elevated temperature, and thus improve its oxidation resistance. An improved machining performance regardless of continuous cutting and milling is obtained by TiAlN/TiN nano-multilayer coated inserts, which can be attributed to the combined effects of higher adhesion with substrates and better oxidation resistance.     

Al含量对Ti1-xAlxN涂层组织结构、力学性能和铣削性能的影响

目的研究不同Al含量对Ti_(1-x)Al_xN涂层的影响,以获得铣削铸铁材料性能最佳的Ti AlN涂层。方法采用阴极电弧蒸发沉积法在WC-Co硬质合金表面制备两种不同Al含量的Ti_(0.5)Al_(0.5)N和Ti_(0.33)Al_(0.67)N涂层,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电子探针微区分析仪(EPMA)分析合金的微观组织和成分组成,通过CSM纳米硬度计和纳米划痕仪测定涂层的纳米硬度、弹性模量、抗塑性变形因子、显微硬度耗散系数MDP和划痕裂纹扩展阻力CPRs等性能指标,同时比较不同Al含量涂层刀片在铣削灰口铸铁HT250和球墨铸铁QT450时的性能和磨损机理。结果 Ti_(0.5)Al_(0.5)N和Ti_(0.33)Al_(0.67)N涂层主要物相均呈NaCl型面心立方结构,以(200)方向为择优取向,且高铝涂层的XRD衍射峰向高角度偏移量大于中铝涂层,说明高铝涂层具有更高的铝固溶量。与Ti_(0.5)Al_(0.5)N涂层相比,Ti_(0.33)Al_(0.67)N涂层的抗塑性变形因子较小,MDP和CPRs较大,表现出更优的塑性、韧性和膜基结合力。在铣削HT250和QT450时,Ti_(0.33)Al_(0.67)N涂层刀片的平均寿命分别为30、60 min,相比Ti_(0.5)Al_(0.5)N涂层,切削性能更好。结论对于Ti AlN涂层来说,提高Al的质量分数至67%可以获得更优的塑性、韧性和膜基结合力,在铣削HT250和QT450时,Ti_(0.33)Al_(0.67)N涂层刀片的切削性能较优。     

TC4钛合金表面沉积CrSiN/SiN纳米多层膜在3.5%NaCl溶液中的腐蚀磨损性能

为了研究纳米多层膜的耐腐蚀性能以及腐蚀磨损机理,采用离子源辅助磁控溅射在TC4钛合金表面制备不同调制周期的CrSiN/SiN纳米多层膜。使用扫描电子显微电镜、能谱仪表征涂层的微观结构、腐蚀形貌以及元素分布;使用划痕仪、纳米压痕仪、维氏硬度计测量涂层的膜基结合力、硬度、弹性模量及断裂韧性,采用电化学工作站以及销盘磨损仪测量涂层耐腐蚀性和腐蚀磨损性。结果表明:调制周期为90 nm与360 nm时涂层耐腐蚀性能较好,腐蚀电流密度分别为1.31×10~(-8)A·cm~(-2)和1.20×10~(-8)A·cm~(-2)。此外,调制周期为45nm时,涂层硬度及弹性模量最大,分别为(22.5±0.6)GPa和(226.4±6.3)GPa,且腐蚀磨损率最低,为9.67×10~(-7)mm~3·N~(-1)·m~(-1)。多层膜结构显著改善了TC4钛合金的耐腐蚀及腐蚀磨损性能。